脉冲星的散射展宽及其对星际介质湍流的启示

观测揭示了弥漫电离星际介质（ISM）中普遍存在的均匀 Kolmogorov 湍流，以及优先位于银道面的超声速湍流。相应地，我们考虑了银河系电子密度涨落的分布，它不仅包含 Kolmogorov 密度谱，还包含一个由激波在小尺度上形成的密度结构的短波主导密度谱。由此得到的散射展宽时间对色散量（DM）的依赖关系自然地解释了现有的低 DM 和高 DM 脉冲星观测数据。根据我们为在宽范围 DM 和频率 $\nu$ 下定量确定散射区域所推导的判据，我们发现低 DM 脉冲星主要被 Kolmogorov 湍流散射，而位于低银纬的高 DM 脉冲星则经历由超声速湍流主导的更强散射，其相应的密度谱具有谱指数 $\approx 2.6$。此外，通过考虑超声速湍流中密度结构的体积填充因子对 $\nu$ 的依赖关系为 $\propto \nu^{1.4}$，我们的模型也能解释对于具有相对较大 DM 的脉冲星所观测到的散射时间 $\nu$ 标度关系比 Kolmogorov 标度关系更浅的现象。我们的解析结果与脉冲星散射测量之间的比较，反过来为探测大尺度 ISM 湍流的性质（例如，$\sim 100$ pc 的注入尺度）以及小尺度密度结构的特征提供了有用的手段。