Рентгеновские наблюдения аккрецирующих пульсаров Her X-1 и EXO 2030 + 375 тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

62 11/100

Клочков Дмитрий Константинович '

У

"Рентгеновские наблюдения аккрецирующих пульсаров Нег Х-1 и ЕХО 2030+375"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Физико-математический факультет Тюбингенского университета Эберхарда-Карла

Научные руководители:

д. ф.-м. н. Шакура Н. И., зав. отделом релятивистской астрофизики Государственного Астрономического Института имени П.К. Штернберга при Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова, Россия; проф. Штауберт Р., профессор университета г. Тюбингена, Германия

!Гг и

¿V 9

'¿ГУу I? -

г.

д17787-11

Аннотация

В диссертации представлены анализ и интерпретация рентгеновских наблюдений двух аккрецирующих пульсаров Her Х-1 и ЕХО 2030+375 с помощью рентгеновских обсерваторий ИНТЕГРАЛ, RXTE и Swift.

Тесная двойная система промежуточной массы Her Х-1 регулярно наблюдалась с помощью RXTE с момента запуска спутника в 1996 г. Монитор всего неба ASM на борту RXTE передавал почти непрерывные данные о рентгеновском потоке пульсара в диапазоне энергии 2-12 кэВ. В июле-августе 2005 г. Her Х-1 был наблюдался обсерваторией ИНТЕГРАЛ. Наблюдения частично покрыли главное включенное состояние источника. Используя данные, полученные ИНТЕГРАЛом, а также предыдущие рентгеновские наблюдения источника, были исследованы вековые изменения орбитального периода системы; изучены долгопериодические корреляции между 35-дневным прецессионным периодом аккреционного диска, 1.24-секундным периодом рентгеновских пульсаций и рентгеновской светимостью; исследованы рентгеновские спектры источника, в том числе разрешённые по фазе 1.24-секундного периода; промоделировано поведение аномальных дипов и задержек выхода из рентгеновских затмений. Были получены следующие основные результаты. Построены новые орбитальные эфемериды системы. Уточнено значение скорости векового уменьшения орбитального периода. Подтверждено наличие долгопериодических корреляций между 35-дневным прецессионным периодом аккреционного диска и периодом рентгеновских пульсаций, а также между рентгеновской светимостью источника и 1.24-секундным периодом. Обнаружена положительная корреляция между энергией циклотронной линии и рентгеновской светимостью источника. Наблюдаемое по-

ведение аномальных дипов и задержек выхода из рентгеновских затмений воспроизведено с помощью численной модели. Спектральные изменения во время рентгеновских дипов интерпретированы с помощью спектральной модели, которая предполагает, что наблюдаемый поток включает поглощённую (спектрально изменённую) и непоглощённую компоненты. Энергия, ширина и глубина циклотронной линии значительно меняются с фазой 1.24-секундных пульсаций. Для объяснения большинства наблюдательных свойств системы была использована модель, которая включает прецессируюгций искривлённый аккреционный диск, свободно прецессирующую нейтронную звезду и аккреционную струю, выходю-щую из плоскости орбиты двойной системы.

ЕХО 2030+375 принадлежит к классу рентгеновских систем с Ве-звёздами. В июне-сентябре 2006 г. источник испытал вторую с момента своего открытия "гигантскую" вспышку (вспышку II типа). Во время вспышки пульсар наблюдался с помощью обсерваторий ИНТЕГРАЛ и Swift. Впервые был изучен широкополосный (3-200 кэВ) рентгеновский спектр источника во время гигантской вспышки. Были исследованы профили рентгеновских импульсов. Наблюдаемая зависимость углового ускорения вращения нейтронной звезды от рентгеновской светимости была сопоставлена с теоретическими предсказаниями существующих моделей ускорения нейтронной звезды аккрецируемым веществом. Были получены следующие основные результаты. Циклотнонную линию в спектре системы, о возможном наличии которой сообщалось ранее на основе даннх RXTE, обнаружить не удалось. Профили рентгеновских импульсов существенно меняются с изменением рентгеновской светимости. Зависимости углового ускорения нейтронной звезды от рентгеновской светимости измеренные во время гигантской вспышки 2006-го года и во время предыдущей гигантской вспышки 1985-го года существенно отличаются друг от друга. Последнее указывает на возможное изменение конфигурации магнитосферы нейтронной звезды и/или аккреционного диска в период между двумя вспышками.

Оглавление

Аннотация in

1 Введение 1

2 Рентгеновские двойные системы 3

2.1 Общая картина .......................................................3

2.2 Происхождение и эволюция . ...................................................4

2.2.1 Эволюция одиночных звёзд . ...........................................5

2.2.2 Приближение Роша и обмен масс в двойной системе .................7

2.2.3 Эволюция массивных рентгеновских двойных систем................9

2.2.4 Эволюция маломассивных рентгеновских двойных систем.....10

2.3 Механизмы аккреции...............................11

2.3.1 Переполнение полости Роша и дисковая аккреция..........11

2.3.2 Аккреция из звёздного ветра......................12

2.4 Аккрецирующие пульсары............................13

2.4.1 Аккреция на замагниченную нейтронную звезду . ..........13

2.4.2 Обмен угловым моментом между аккреционным диском и нейтронной звездой . .............................14

2.4.3 Рентгеновский спектр...........................................15

3 Рентгеновская двойная система промежуточной массы Her X-1/HZ Her 18

3.1 Общие сведения о системе............................18

3.2 Наблюдательные свойства............................19

3.2.1 35-дневный период ............................19

3.2.2 Рентгеновские дипы............................21

3.2.3 Рентгеновский профиль импульса....................22

3.2.4 Циклотронная линия...........................23

3.3 Модель системы и нерешённые вопросы....................26

4 Наблюдения Her Х-1 с помощью RXTE 31

4.1 Rossi ХТЕ. Краткое описание...........................31

4.1.1 Детектор РСА ...............................32

4.1.2 Детекторы HEXTE............................33

4.1.3 Монитор всего неба........................... . 33

4.2 Уточнение орбитальных параметров системы.................34

4.2.1 Метод счёта импульсов.......... ................35

4.2.2 Данные RXTE................................36

4.2.3 Орбитальные эфемериды . . . ......................39

4.3 Изучение параметров отдельных 35-дневных циклов.............40

4.3.1 Предварительная обработка.......................42

4.3.2 Моменты рентгеновских включений и диаграмма (О — С) .....43

4.3.3 Максимальный поток в главном включении..................45

4.3.4 Корреляции между (О — С), максимальным потоком в главном включении, и периодом пульсаций...................46

4.3.5 Корреляция между энергией циклотронной линии и максимальным потоком в главном включении........■...........53

4.4 Усреднённые кривые блеска, полученные ASM................55

4.4.1 Изменение наклона диска в течение 35-дневного цикла.......56

4.4.2 Модель для воспроизведения поведения дипов............58

5 Наблюдения Her Х-1 с помощью обсерватории ИНТЕГРАЛ 63

5.1 Обсерватория ИНТЕГРАЛ. Краткое описание.................63

5.1.1 IBIS.....................................65

5.1.2 SPI ................................... • • 66

5.1.3 JEM-X ...................................66

5.2 Наблюдения и первичная обработка данных..................67

5.2.1 Описание наблюдений ..........................67

5.2.2 Первичная обработка данных, полученных IBIS/ISGRI.......67

5.2.3 ' Первичная обработка данных, полученных SPI............70

5.2.4 Первичная обработка данных, полученных JEM-X .........70

5.3 Времени 'ой анализ................................71

5.3.1 Кривая блеска...................................71

5.3.2 Профили импульсов........... .................71

5.3.3 Изменение периода пульсаций......................74

5.4 Спектральный анализ...............................75

5.4.1 Спектр, усреднённый по фазе пульсаций................75

5.4.2 Рентгеновские дипы............ .................78 .

5.4.3 Спектры, разрешённые по фазе пульсаций ..............81

6 ЕХО 2030+375: рентгеновская система с Ве-компонентой 87

6.1 Описание системы.................................87

6.2 Рентгеновский и оптический мониторинг ...................88

6.2.1 Поведение периода пульсаций и рентгеновской светимости.....89

6.2.2 Вспышки первого типа.......... ................89

6.2.3 Оптические/ИК наблюдения.......................92

6.2.4 Профиль рентгеновских импульсов...................92

6.2.5 Рентгеновский спектр...........................92

6.3 Модель системы и нерешённые вопросы....................93

7 Наблюдения EXO 2030+375 с помощью обсерваторий ИНТЕГРАЛ и Swift 97

7.1 Спутник Swift: краткое описание........................97

7.1.1 ВАТ.....................................99

7.1.2 XRT . . . ..................................99

7.2 Наблюдения и обработка данных........................100

7.2.1 Описание наблюдений ..........................100

7.2.2 Обработка данных IBIS/ISGR1 и JEM-X ...............101

7.2.3 Обработка данных ВАТ...................•......Ю2

7.2.4 Обработка данныхХДТ..........................ЮЗ

7.3 Временной анализ.................................ЮЗ

7.3.1 Поведение периода пульсаций......................104

7.3.2 Профили импульсов . ............................104

7.4 Спектральный анализ...............................104

8 Обсуждение НО

8.1 Her Х-1.......................................НО

8.1.1 Вековое изменение орбитального периода...............110

8.1.2 Модель взаимодействия аккреционной струи с диском .......112

8.1.3 Корреляция между рентгеновской светимостью и ускорением вращения нейтронной звезды........................113

8.1.4 Корреляция между энергией циклотронной линией и рентгеновской светимостью.............................114

8.1.5 Профили импульсов............................115

8.1.6 Короткопериодические изменения периода пульсаций........116

8.1.7 Поглощение во время рентгеновских дипов..............117

8.1.8 Зависимость спектра от фазы пульсаций ...............118

8.2 ЕХО 2030+375 ................................... 119

8.2.1 Зависимость Lx — Рцулъс'- сравнение моделей аккреции ....... 119

8.2.2 Профиль импульсов........................... 123

8.2.3 Рентгеновский спектр широкого диапазона..............124

9 Заключение 125

Список литературы 128

А Моменты рентгеновских включений и максимальные значения потока в главном включенном состоянии 137

В Период 1.24-секундных пульсаций 140

С Численная модель поведения аккреционного диска в системе Her Х-1143

Благодарность 147

Глава 1

Введение

Поскольку земная атмосфера непрозрачна для рентгеновского излучения, возникновение рентгеновской астрономии стало возможным только с наступлением эры космических полётов. Первые астрономические рентгеновские детекторы доставлялись на большую высоту баллистическими ракетами и опускались на землю на парашюте. С их помощью удалось зафиксировать рентгеновское излучение солнечной короны (Chubb et al. 1957). Однако, это излучение было относительно слабым, что привело многих астрономов 50-х и 60-х годов к мысли о том, что попытки создания более крупных инструментов с целью наблюдения рентгеновского излучения от других небесных объектов будут безрезультатными. Тем не менее вскоре выяснилось, что большинство космических рентгеновских источников по светимости значительно привосходит Солнце. Первый такой источник, Sco Х-1, был открыт группой учёных под руководством Риккардо Джиаккони (удостоенного в 2002 г. нобелевской премии) с помощью детектора,' установленного на баллистической ракете (Giacconi et al. 1964; Giacconi к Gursky 1974). Бурный прогресс в данной области начался в 1970-х с появлением искусственных спутников, снабжённых рентгеновскими детекторами. Первый из них, Uhuru, был запущен в 1970 г. (Kellogg 1975; Giacconi et al. 1972) и осуществил первый рентгеновский обзор неба в диапазоне 2-6 кэВ. В ноябре 1978 г. была запущена обсерватория Эйнштейн. Научное оборудование спутника впервые включало фокусирующий рентгеновский телескоп. Эйнштейн-ом были получены высококачественные изображения и определены координаты тысяч рентгеновских источников (Harris et al. 1993). Европейский рентгеновский спутник EXQSAT, проработавший с мая 1983 г. по апрель 1986 г. позволял проводить непрерывные наблюдения рентгеновских источников, продолжающиеся несколько дней, без разрывов, связанных с затмением земным диском. Это позволило установить транзиентный (переменный) характер многих источников. Эти и последующие орбитальные рентгеновские обсерватории (Chandra, XMM-Newton, Rossi ХТЕ, BeppoSAX, ИНТЕГРАЛ и др.) фиксировали рентгеновское излучение обычных звёзд, белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, остатков вспышек сверхновых, активных ядер галактик и горячего межгалактического газа. Рентгеновская астрономия в корне изменила наши представления о Вселенной, "наполнив" её эволюционирующими, взрывными, высокоэнергичными феноменами и объектами.

Вскоре после первых рентгеновских наблюдений со спутников было обнаруже-

но, что рентгеновское излучение многих точечных источников претерпевает быстрые и, как правило, периодические изменения. Комбинированные наблюдения с помощью оптических и рентгеновских телескопов показали, что эти источники входят в состав двойных звёздных систем (рентгеновских двойных), в которых вещество с нормальной звезды перетекает на соседний компонент, представляющий собой компактный остаток эволюции обычной звезды и обладающий сильным гравитационным полем. К указанному классу объектов принадлежит большинство точечных рентгеновских источников нашей Галактики. Неудивительно, что первый открытый рентгеновский источник за пределами солнечной системы, Seo Х-1, оказался рентгеновской двойной. Оба источника, которым посвящена данная работа, Геркулес Х-1 и ЕХО 2030+375, также принадлежат классу рентгеновских двойных, в которых компактными объектами являются нейтронные звёзды. В работе представлен анализ наблюдений двух указанных источников, осуществлённых с помощью современных орбитальных рентгеновских обсерваторий - ИНТЕГРАЛ, RXTE и Swift. Великолепные характеристики инструментов на борту этих спутников позволили изучить физические процессы в двух упомянутых рентгеновских источниках, являющихся типичными представителями своих классов рентгеновских систем.

Результаты настоящей работы представлены следующим образом. Вторая глава содержит введение в рентгеновские двойные системы. Глава 3 посвящена описанию двойной системы Геркулес Х-1. Вначале дан обзор наблюдательных свойств системы. Далее приводится теоретическая интерпретация этих свойств и очерчен круг нерешённых вопросов, связанных с двойной системой. Глава 4 посвящена анализу наблюдений ÄXTE. Используя эти наблюдения, мы построили новые орбитальные эфемериды системы и измерили скорость векового уменьшения её орбитального периода, а также исследовали параметры отдельных 35-дневных циклов источника и изучили их корреляции друг с другом. Кроме того, мы построили усреднённые 35-дневные кривые блеска источника и воспроизвели наблюдаемое поведение рентгеновских дипов на этих кривых, используя численную модель. В главе 5 приведён анализ наблюдений Her Х-1 с помощью обсерватории ИНТЕГРАЛ. Анализ включает изучение зависимости профиля рентгеновских импульсов от времени и энергии, вариаций периода пульсаций, рентгеновских спектров (как усреднённых, так и разрешённых по фазе пульсаций) и спектральных изменений во время рентгеновских дипов. В главе 6 дано описание системы ЕХО 2030+375. Как и в случае с Her Х-1, оно состоит из обзора наблюдательных свойств источника, описания теоретических моделей, объясняющей эти свойства, и перечня нерешённых проблем в понимании физики источника. Глава 7 посвящена наблюдению ЕХО 2030+375 с помощью спутников ИНТЕГРАЛ и Swift во время гигантской вспышки источника. В этой главе мы изучаем профили импульсов, форма которых зависит от энергетического диапазона и светимости источника, ускорение вращения пульсара во время вспышки и широкополосный рентгеновский спектр источника. В главе 8 мы обсуждаем результаты описанного анализа и предлагаем их теоретическую интерпретацию. Краткое резюме и заключения даны а главе 9.

Глава 2

Рентгеновские двойные системы

2.1 Общая картина

Двойными звёздными системами принято называть системы, состоящие из двух гравитационно связанных звёзд, вращающихся вокруг общего центра масс. По меньшей мере половина всех звёзд входят в состав двойных или кратных систем. Подклассом двойных систем являются рентгеновские двойные системы - такие, в которых компактная проэволюционировавшая звезда (белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра) и нормальная компонента вращаются достаточно близко друг к другу, чтобы вещество с нормальной звезды могло перетекать на компактный объект. Перетекающий газ, обладая значительным угловым моментом, как правило, закручивается вокруг компактной звезды, формируя т. н. аккреционный диск. Гравитационная энергия аккрецируемого вещества высвобождается в форме рентгеновского излучения, которое возникает вблизи компактного объекта, где газ разогревается до высоких температур (10е 1ю 108 К). В случае нейтронной звезды или белого карлика излучение возникает как в аккреционном диске так и непосредственно вблизи поверхности компактной звезды, в то время как в случае чёрной дыры единственным источником рентгена является аккреционный диск. Схематический вид рентгеновской двойной системы показан на рис. 2.1.

Звезда-донор может поставлять вещество посредством звёздного ветра - истечения вещества с поверхности звезды. Такой сценарий характерен для систем с массой нормальной компоненты превышающей несколько солнечных масс (т. н. массивные рентгеновские двойные). В системах с менее массивной нормальной компонентой (маломассивные рентгеновские двойные) аккреция может идти через внутреннюю точку Лагранжа - точку, в которой гравитационное притяжение обеих звёз