Галактические нетепловые радиоисточники тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

л/,

""-г",

V/" /

1 ^ : /

у

// I

/ - / '

российская академия наук

специальная астрофизическая обсерватория

/1

£

На правах рукописи УДК 524.354-77

ТРУШКИН Сергей Анатольевич

л

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ НЕТЕПЛОВЫЕ РАДИОИСТОЧНИКИ. МНОГОЧАСТОТНЫЕ ОБЗОРЫ И МОНИТОРИНГ ВСПЫШЕЧНОЙ ПЕРЕМЕННОСТИ

(01. 03. 02 - астрофизика, радиоастрономия)

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Архыз - 1998

Содержание

1 Введение и обзор текущих исследований 6

1.1 Введение ..........................................................................6

1.1.1 Цель работы........................................................8

1.1.2 Научная новизна и практическая ценность............................8

1.1.3 Апробация работы и публикации.......................10

1.1.4 Содержание работы......................................................11

1.2 Обзор текущих исследований....................................................26

1.2.1 Сверхновые...........................................26

1.2.2 Остатки сверхновых......................................................29

1.2.3 Проблема поиска ОСН и их статистика ..............................31

1.2.4 Нетепловые радиозвезды................................................33

1.2.5 Синхротронное излучение ..............................................35

1.2.6 Радиообзоры Млечного пути............................................36

1.2.7 Нерешенные проблемы..................................................37

2 Исследование остатков сверхновых 39

2.1 Крабовидная туманность........................................................39

2.1.1 Существует ли оболочка вокруг Крабовидной туманности? .... 39

2.1.2 Наблюдения ..............................................................40

2.1.3 Распределение спектрального индекса..................................41

2.1.4 Протяженная оболочка вокруг Крабовидной туманности............43

2.1.5 Исследование линейной поляризации Краба на коротких волнах . 45

2.1.6 Заключение................................................................46

2.2 Обзор 90 ОСН в I и IV квадрантах............................................48

2.2.1 Введение ....................................................................48

2.2.2 Наблюдения ..............................................................49

2.2.3 Результаты и обсуждение................................................53

2.2.4 Заключение................................................................87

2.3 Обзор ОСН в области 85° < I <135°............................................89

2.3.1 Наблюдения ......................................89

2.3.2 Результаты................................................................90

2.3.3 Обсуждение результатов................................................93

2.3.4 Заключение................................................................116

2.4 Радиоспектры 200 галактических ОСН........................................117

2.4.1 Введение ..................................................................117

2.4.2 Данные по плотностям потоков........ ............118

2.4.3 Аппроксимация спектра..................................................119

2.4.4 Анализ спектров..........................................................121

2.4.5 Заключение ............................................................122

2.5 Выводы............................................................................123

3 Обзоры плоскости Галактики 124

3.1 Обзор полной выборки протяженных источников II квадранта ......125

3.1.1 Введение ..................................................................125

3.1.2 Наблюдения и обработка................................................127

3.1.3 Результаты................................................................128

3.1.4 Заключение................................................................132

3.2 Обзор Галактики в области 343° < I <19° и |Ь| <5.5° ............135

3.2.1 Введение ............. ........................................135

3.2.2 Наблюдения ..............................................................136

3.2.3 Обработка наблюдений..................................................138

3.2.4 Каталог источников галактического обзора..........................141

3.2.5 Поиск остатков сверхновых..............................................142

3.2.6 Заключение................................................................147

3.3 Выводы............................................................................149

4 Мониторинг переменности ГРРИ 151

4.1 Радиоизлучение рентгеновских источников.................151

4.2 Мониторинг SS433 в 1980 и 1986-1987 гг........................................157

4.2.1 Исследование SS433 в эксперименте "Холод".............157

4.2.2 Поиск закономерностей в радиовспышках SS433 ......................159

4.2.3 Теоретические аспекты радиовспышек SS433 ........................163

4.3 Вспышечное радиоизлучение SS433 в 1994 г....................................168

4.3.1 Введение ..................................................................168

4.3.2 Наблюдения и обработка................................................169

4.3.3 Анализ кривых блеска и спектров...................170

4.3.4 Заключение................................................................174

4.4 Многочастотный мониторинг Cygnus Х-3......................................176

4.4.1 Введение ..................................................................176

4.4.2 Наблюдения и обработка........................178

4.4.3 Анализ кривых блеска и спектров ..................179

4.4.4 Заключение................................................................186

4.5 ГРРИ GROJ1655-40 и GRS1915+105 ..........................................189

4.5.1 Радиоизлучение рентгеновской новой GRO J1655-40 ..................189

4.5.2 Сверхсветовой радиоисточник GRS1915+105 ............191

4.6 Выводы............................................................................194

5 База данных астрофизических каталогов CATS 196

5.1 Постановка задачи и предпосылки..............................................196

5.2 CATS - инструмент галактических и внегалактических исследований . . 197

5.3 Выводы......................................202

6 Заключение 203

6.1 Основные положения, выносимые на защиту.................203

6.2 Перспективы на будущее............................ 205

Библиография....................................................................206

А Атлас одномерных распределений яркости по ОСН 223

В Спектры 200 остатков сверхновых 236

С Эмиссионная способность сферы с радиальным магнитным полем 262

С.1 Текст Си-программы расчета модели.....................264

D Каталог протяженных KR-источников 268

Е Таблицы данных измерений потоков 271

E.I SS 433: наблюдения с 3 декабря 1986 по 6 марта 1987 г............271

Е.2 SS 433: наблюдения с 5 мая по 10 июня 1987 г.................274

Е.З SS 433: наблюдения с 4 апреле по 25 мая 1994 г................276

Е.4 CygX-З: наблюдения с 21 мая по 8 августа 1997г...............278

Глава 1

Введение и обзор текущих исследований

1.1 Введение

Как установлено еще в пионерских работах 50-х и 60-х гг., синхротрон-ный механизм излучения релятивистских электронов в магнитных полях является причиной нетепловых спектров космических радиоисточников. Если распределение электронов по энергиям нетепловое, например, степенное Е) ~ Е~р), то зависимость плотности потока радиоизлучения ансамбля релятивистских электронов от частоты - радиоспектр - тоже будет степенным в оптически тонком источнике ос где а < 0. В большинстве внегалактических радиоисточников преобладает синхро-тронное излучение. Компактные и плотные источники могут испытывать самопоглощение и тогда спектр "заваливается" на низких частотах, становясь оптически толстым ос 1/+2-5. В отличие от источников теплового тормозного излучения, синхротронные источники обладают значительной линейной поляризацией и их яркостная температура может достигать значений 106 — 109 градусов и выше. В сплошном спектре наиболее заметными нетепловыми галактическими радиоисточниками являются остатки вспышек сверхновых (ОСН), пульсары и радиоизлучающие рентгеновские источники (ГРРИ). В расширяющихся оболочках ОСН радиоволны излучают релятивистские электроны, рожденные при взрыве СН, и/или ускоренные в сжатом магнитном поле на ударном фронте взрывной волны. При взрыве массивных звезд рождаются нейтронные звезды. Молодые пульсары кардинально меняют картину нетеплового излучения ОСН, так как они - мощные источники релятивистских частиц, магнитного поля и ударных волн в межзвездной среде (МЗС). Рас-

пределенное излучение Галактики создается тепловыми электронами, сосредоточенными главным образом в тонком диске, и нетепловыми энергичными электронами, вылетевшими из старых остатков сверхновых и ускоренными в межзвездных ударных волнах.

Объекты с нетепловым радиоизлучением - ОСН и ГРРИ - являются индикаторами многих активных физических процессов: распространения ударных волн, образования релятивистских струйных выбросов и генерации быстрых частиц.

Основная задача представленной работы состояла в исследовании спектров, структуры и переменности нетепловых источников в представительных выборках. Обзор областей неба на радиотелескопе РАТАН-600, многочастотные исследования распределений яркости и спектров известных галактических ОСН и длительное патрулирование переменности (мониторинг) радиопотока нетепловых источников в рентгеновских двойных системах составили основу наблюдательного материала.

В работе представлены результаты многочастотного обзора Галактики в области ее центра 343° < I < 19°, |&| < 5.5° на радиотелескопе РАТАН-600. В нем были исследованы все ранее известные ОСН и обнаружены новые ранее неклассифицированные ОСН. Были также исследованы все известные ОСН во втором квадранте и несколько наиболее ярких ОСН в области антицентра. Полная выборка исследованных ОСН состоит из ~120 объектов.

Ранее неизвестные закономерности спектральной переменности радиоизлучения ГРРИ были выявлены в результате длительного мониторинга. Проведен анализ переменного вспышечного излучения объекта SS433 в нескольких циклах наблюдений 1980-97 гг. и рентгеновской двойной системы Cyg Х-3 по результатам наблюдений в мае-августе 1997 г.

Радиотелескоп РАТАН-600 при умеренном разрешении (0.5'-4') обладает основными параметрами, необходимыми для вышеперечисленных исследований: высокой чувствительностью по яркостной температуре и многочастотностью, которые достигнуты за счет оснащения телескопа современными криорадиометрами в широком диапазоне частот. Стабильная и надежная работа радиометров и системы АСУ антенной, отлаженная методика наблюдений и обработки дают уникальную возможность в одном наблюдении получать мгновенные спектры переменных источников. На телескопе можно исследовать ~ 80% области Млечного пути, где расположено более половины всех ОСН, внесенных в каталоги.

1.1.1 Цель работы

1. Измерение интегральных потоков ОСН в трех галактических квадрантах в сантиметровом диапазоне волн для построения точных спектров. Составление полного каталога радиоспектров ОСН. Измерения распределения яркости и спектрального индекса по Крабовидной туманности. Моделирование эмиссионной способности оболочечных ОСН и сравнение расчетов с реальными распределениями их яркости. Анализ радиоизлучения обнаруженных компактных источников в ОСН с целью поиска возможных звездных ОСН.

2. Проведение многочастотных обзоров плоскости Галактики. Определение природы протяженных объектов из полной выборки каталога радиоисточников Калласа и Райха (далее KR-обзора) (1980) в области второго галактического квадранта. Отождествление этих источников с источниками из других обзоров.

Проведение полного обзора (далее ZGT-обзора) плоскости Млечного пути в области 343° < I < 19°, |&| < 5.5° с целью исследования известных и поиска новых нетепловых источников галактической популяции, составление их каталога.

3. Мониторинг быстрой (> 1 дня) вспышечной переменности излучения пекулярных радиоисточников из выборки ГРРИ: исследование SS433 и Cyg Х-3 в максимально широком диапазоне длин волн; исследование переменного радиоизлучения "сверхсветовых" галактических источников GROJ1655—40 и GRS 1915+105. Поиск переменного излучения от нетепловых источников галактического обзора и активных рентгеновских источников. Выявление общих характеристик и закономерностей вспы-шечного радиоизлучения ГРРИ.

4. Создание базы данных астрофизических каталогов CATS для проведения всестороннего изучения и отождествления обнаруженных источников ZGT-обзора.

1.1.2 Научная новизна и практическая ценность

Впервые доказано, что существующие границы оптического и радиоизлучения Крабовидной туманности являются реальными границами остатка СН 1054 г., что дает основание отнести ее к СН II типа с малым энерговыделением. Обнаружено, что спектральный индекс по этому ОСН не меняется, и нет никакого сколько-нибудь заметного синхротронного ра-

диоизлучения вне границ видимого в оптическом диапазоне ОСН. Это обстоятельство сильно ограничивает возможность выхода релятивистских частиц за оболочку Крабовидной туманности.

Впервые, на материале проведенных многочастотных наблюдений 120 ОСН и компиляции всех имеющихся данных построены точные спектры всех известных ОСН.

Впервые в России выполнен галактический обзор в сплошном спектре на высоких частотах в области неба площадью 400 квадратных градусов. Зарегистрированы почти все известные ОСН из каталога Грина (1996). По результатам обзора составлен каталог дискретных радиоисточников. Большая часть протяженных источников является тепловыми HII-облас-тями или газо-пылевыми комплексами.

В результате обзоров обнаружены новые оболочечные ОСН: G3.2—5.2, G4.7+1.3, G4.8+6.2, G12.2-1.1, G11.2-1.1, G16.0+2.7, G356.2+4.4, KR48 (2214+598) и нетепловая оболочка вокруг GRO J1655—40.

Впервые в широком частотном диапазоне (от 0.96 до 11.2 ГГц) прослежена вспышечная переменность SS433. На основе обнаруженных в мониторинге 20 вспышек SS433 определены зависимости максимального потока вспышки, времени запаздывания максимума потока вспышки от частоты и временные зависимости затухания вспышек.

Впервые со времени мощнейшей вспышки 1972 г. получен наблюдательный материал по нескольким радиовспышкам Cyg Х-3 на шести частотах одновременно. Впервые обнаружена значимая антикорреляция между зарегистрированными радиовспышками Cyg Х-3 и уровнем его рентгеновского потока в диапазоне 2-12 кэВ по данным RXTE. Обнаружено, что в кривых изменения плотности потока Cyg Х-3 присутствуют четыре оптически толстые вспышки длительностью 1-4 дня и одна оптически тонкая мощная вспышка длительностью ~ 10 дней. Удалось установить важную закономерность: на всех частотах затухание потока в начале вспышки 12 июня 1997 г. шло по экспоненциальному закону, затем закон затухания изменился на степенной. Обнаружено,что характерное время затухания вспышки убывало с частотой по степенному закону.

Создана крупная общедоступная радиоастрономическая база данных CATS - инструмент для галактических и внегалактических исследований, основа для новых наблюдательных программ на радиотелескопе РАТАН-600. Впервые в существующих базах данных CATS предоставляет пользователям процедуру построения радиоспектров более 10000

радиоисточников, в том числе и всех известных ОСН, в режиме on-line.

Авторская методика калибровки по вторичным стандартам, методика измерений плотностей потока и контроля состояния антенны используется наблюдателями в текущих наблюдениях на радиотелескопе и доступна из справочника наблюдателя, расположенного на WEB-сервере РАТАН-600 (Алиакберов и др., 1985; Трушкин, 1996).

1.1.3 Апробация работы и публикации

Результаты исследований докладывались на Всесоюзных и Российских радиоастрономических конференциях (1979, 1983, 1987, 1991, 1995, 1997). Результаты исследований ОСН на РАТАН-600 докладывались на рабочем совещании (Пущино, 1996) "Presupernovae, Supernovae and supernova remnants'. Результаты исследований SS433 и первые результаты галактического обзора докладывались на международном симпозиуме MAC N 145 (Сиан, КНР, 1993). Результаты галактического обзора докладывались на международном симпозиуме MAC N165 (ГА MAC, Гаага, 1994) и симпозиуме MAC N179 (Балтимор, 1996). Результаты исследований SS433 докладывались на международном симпозиуме MAC N169 (ГА MAC, Гаага, 1994). Результаты создания базы данных CATS и ее астрофизические приложения докладывались на международных совещаниях ADBIS'96 и ADBIS'97, ADASS'96 (США) и на коллоквиуме MAC (СПб,

1996), а также на конференции по наблюдательной космологии (Тенериф,

1997). Результаты исследований по Cyg Х-3 доложены на конференции по тесным двойным системам в Мериленде (США) и на 2-м совещании по галактическим струйным выбросам в Великобритании. Результаты исследований неоднократно докладывались автором на конференциях САО. К новой форме представления принадлежат публикации в Интернете -авторские разработки в базе данных CATS и справочник наблюдателя на РАТАН-600. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ.

Диссертация состоит из введения и обзора текущих исследований, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 415 наименований и пяти приложений; содержит 279 страниц текста, в том числе 177 рисунков, 17 таблиц.

1.1.4 Содержание работы

В Главе 1 сделан обзор текущих исследований по представленной теме. Обсуждены сверхновые, их основные типы, темпы образования, явление радиосверхновой, наблюдательные данные и статистика ОСН в Галактике. Подчеркнута роль сверхновых и их остатков в формировании трех-компонентной МЗС. Обсуждены проблемы, связанные с разными типами ОСН и звездными остатками. Приведены последние наблюдательные данные. Обсуждены проблемы нетеплового излучения тесных двойных звезд и описана их статистика. Особо отмечено, что вспышечная составляющая этого излучения обусловлена возникновением струйных выбросов при сверхкритической аккреции на центральную машину - релятивистскую звезду. Кратко обсуждена теория синхротронного излучения в приложении к ОСН и радиозвездам. Сделан краткий обзор радиоастрономических исследований нетепловых радиоисточников в Галактике.

Глава 2 посвящена исследованию остатков сверхновых.

Раздел 2.1. Крабовидная туманность является остатком исторической сверхновой 1054 г. Несколько наблюдательных признаков указывают, что это была СН II типа: восстановленная кривая блеска, четкий водородный спектр волокон, обилие гелия. Нейтронная звезда по современным теориям должна рождать�