Исследование рентгеновских транзиентных источников и космических гамма-всплесков по данным прибора ВОТЧ обсерватории Гранат тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

п о ин

- 3 ЙЕН №7

На правах рукописи

Сазонов Сергей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ТРАНЗИЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ И КОСМИЧЕСКИХ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА ВОТЧ ОБСЕРВАТОРИИ ГРАНАТ

01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1997

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., академик РАН Сюняев Рашид Алиевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Гнедин Юрий Николаевич кандидат физико-математических наук Котов Юрий Дмитриевич

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф.

Иоффе РАН

Защита диссертации состоится 26 декабря 1997г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета Д 002.94.01 в Институте космических исследований РАН по адресу: Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан "26" ноября 1997г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.94.01 кандидат технических наук

Нестеров В.Е.

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы

Основным объектом изучения астрофизики высоких энергий являются процессы, происходящие в присутствии сильного гравитационного поля. Такие поля окружают объекты звездной массы - нейтронные звезды и черные дыры, которые являются конечными продуктами эволюции массивных звезд, а также сверхмассивные черные дыры, расположенные в активных ядрах галактик. Практически все явления, связанные с астрономическими компактными объектами, переменны на масштабах времени, доступных наблюдению. Причем существует обширный класс рентгеновских источников, так называемых транзиентов, которые способны иногда менять яркость как минимум на несколько порядков. Они появляются на небе лишь на короткое время, а большую часть времени остаются невидимыми для наблюдателя. Для наблюдений таких объектов оптимально подходят приборы, способные практически непрерывно, день за днем, наблюдать все небо. Ввиду важности таких приборов, известных в англоязычной литературе как "All-sky Monitors", ими оснащены большинство крупнейших астрофизических обсерваторий, предназначенных для работы в космосе. В первой половине 90-х годов на орбите работало два прибора этого типа: российско-датский монитор ВОТЧ на спутнике ГРАНАТ и американский прибор BATSE обсерватории CGRO, которые взаимно дополняли друг друга, так как их энергетические диапазоны чувствительности различны. Данная диссертация посвящена описанию некоторых результатов, полученных по рентгеновским транзиентным источникам в результате непрерывного слежения за рентгеновским небом с помощью прибора ВОТЧ в 1989-1996 гг.

Среди рентгеновских транзиентов выделяют класс "рентгеновских новых". В настоящее время общепризнанной является точка зрения, что природа вспышек рентгеновских новых связана с внезапно увеличивающимся темпом перетекания (аккреции) вещества с оптической звезды на компактный объект в двойной системе. Повышенный интерес к рентгеновским новым связан с тем, что во многих из них компактный объект является черной дырой. Более того, до недав-

него времени практически не были известны двойные системы, в состав которых входит черная дыра, не относящиеся к классу рентгеновских новых. Самым известным исключеним является источник Лебедь Х-1, который светит постоянно. 90-е годы подарили рентгеновским астрономам два новых объекта, которые благодаря их уникальным свойствам можно выделить в отдельную группу в составе класса кандидатов в черные дыры. Это - GRS 1915+105, открытый прибором ВОТЧ обсерватории ГРАНАТ, и GRO Л 655-40, открытый прибором CGRO/BATSE. Во-первых, уникальны их кривые блеска: вспыхнув на небе в 1992 г. и в 1994 г. соответственно, оба источника продолжают оставаться активными по сегодня, демонстрируя нерегулярное чередование периодов относительного спокойствия и ярких вспышек продолжительностью в несколько месяцев. Однако основная отличительная особенность этих объектов - наблюдающееся у них, в основном в радиодиапазоне, явление выброса облаков плазмы из внутренней области аккреционного диска с кажущейся сверхсветовой скоростью. Аналогичное явление давно наблюдается в активных ядрах галактик и квазарах. Галактические сверхсветовые источники, благодаря их близости к наблюдателю и меньшему масштабу времени, на котором происходят основные процессы, дают возможность лучше изучить это явление. С этим связан большой интерес, привлекаемый ими в последние годы. В процессе практически непрерывного слежения (в течение нескольких лет) за активностью этих источников прибором ВОТЧ были обнаружены несколько мощных вспышек от них, некоторые из которых сопровождались сверхсветовыми выбросами радиокомпонентов.

Другим интересным объектом, которому посвящена часть диссертации, является транзиентный источник GRO J1744-28, открытый в декабре 1995 г. прибором CGRO/BATSE. Он объединяет уникальным образом свойства транзиента, рентгеновского пульсара и источника коротких рентгеновских всплесков. В диссертации обсуждается механизм излучения высоких аккреционных колонок, образующихся на магнитных полюсах нейтронной звезды, для объяснения сверхэд-дингтоновской светимости и профиля пульсаций этого источника.

. Последней темой, затронутой в диссертации, являются космические гамма-всплески, природа которых остается неразрешенной до

сих пор, несмотря на 30 лет наблюдений, и представляет сейчас одну из самых актуальных и интересных проблем астрофизики высоких энергий. Работа, представленная в диссертации, основана на недавно опубликованном каталоге гамма-всплесков, зарегистрированных в 1989-1994 гг. прибором ВОТЧ. Представленные несколько десятков измеренных положений источников гамма-всплесков на небе могут служить основой для поиска корреляций с различными классами астрономических объектов. Кроме того, наиболее точные из локализаций прибора ВОТЧ позволяют осуществить проверку временного метода измерения местоположения источников всплесков, используемого при анализе данных межпланетных спутниковых сетей.

Цель работы

Целью анализа рентгеновских наблюдений галактических сверхсветовых источников GRS 1915+105 и GRO J1655-40 было изучение их переменности на больших временных масштабах, регистрация ярких вспышек, а также выявление корреляций между их рентгеновской активностью и появлением релятивистских радиоджетов.

Основной целью анализа наблюдений барстера-пульсара GRO J1744-28 была проверка модели Баско и Сюняева сверхкритической аккреции вещества не нейтронную звезду, обладающую сильным магнитным полем.

В части, относящейся к космическим гамма-всплескам, ставилась цель составить полный каталог всплесков, зарегистрированных прибором ВОТЧ, получить статистические сведения об их временных и спектральных характеристиках, в том числе осуществить сравнение свойств временных историй гамма-всплесков в мягком и жестком рентгеновских диапазонах энергий. Ставилась цель получить как можно более точные положения источников всплесков на небе и изучить их распределение по небесной сфере.

Научная новизна

В период с 1992 по 1996 г. проводилось непрерывное слежение за активностью рентгеновских транзиентных источников GRS 1915+105

и GRO J1655-40 прибором BOTH. Информация о регистрации новых ярких вспышек обоих источников незамедлительно распространялась посредством телеграмм, выпускаемых Международным Астрономическим Союзом, что способствовало своевременному наведению телескопов на эти объекты и открытию явления сверхсветового разлета радиокомпонентов у GRS 1915+105. Во время одной из вспышек GRO J1655-40, второго сверхсветового источника, благодаря совместным наблюдениям источника сразу тремя рентгеновскими обсерваториями: ГРАНАТ, CGRO и ASCA, стало возможным изучение его свойств в активном состоянии в широком диапазоне энергий.

По восстановленной рентгеновской кривой блеска барстера-пульсара GRO J1744-28 была оценена светимость источника в максимуме блеска, которая в несколько раз превышала эддингтоновскую светимость для сферической аккреции на нейтронную звезду. Во время коротких всплесков источника его светимость превышала эддингтоновский предел на два порядка. В диссертации представлена интерпретация результатов наблюдений GRO J1744-28 на основе модели излучения аккреционных колонок Баско и Сюняева.

Впервые получен обширный каталог точных положений источников космических гамма-всплесков на небесной сфере по данным одного прибора. Он практически свободен от систематических эффектов, которые, например, сопровождают измерение положений источников всплесков методом триангуляций, использующимся при анализе данных межпланетных спутниковых сетей. В работе также получена информация о временных историях гамма-всплесков в рентгеновском диапазоне энергий.

Практическая ценность работы

Рентгеновские кривые блеска галактических сверхсветовых источников позволяют судить об активности этих источников в течение нескольких лет. Они могут использоваться и уже применялись для совместного анализа с аналогичными данными, полученными в других диапазонах электромагнитного спектра.

Результаты, полученные по барстеру-пульсару, предоставляют экспериментальную базу для проверки и развития теории сверхкритиче-

ской аккреции на нейтронную звезду в присутствии сильного магнитного поля. Самостоятельное исследование, проведенное автором в этом направлении, демонстрирует необходимость рассмотрения проблемы излучения пульсаров с учетом влияния эффекта искривления лучей сильным гравитационным полем нейтронной звезды.

Подборка точно измеренных небесных положений космических гамма-всплесков может использоваться для поиска корреляций с различными типами астрономических объектов. Кроме того, некоторые области локализации достаточно компактны для архивных поисков связанных с ними транзиентных событий, а также для осуществления наблюдений телескопами, обладающими достаточно большими полями зрения.

Методика определения ориентации вращающегося спутника по рентгеновским данным и восстановления кривых блеска рентгеновских источников может быть использована при анализе данных космических экспериментов, осуществляемых в режиме сканирования неба.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Исследование долговременных рентгеновских кривых блеска галактических сверхсветовых источников GRS 1915+105 и GRO J1655-40 по данным прибора ВОТЧ. Открытие нескольких ярких вспышек.

2. Установление связи между рентгеновской активностью и эпизодами выбросов релятивистских облаков плазмы в источнике GRS 1915+105.

3. Совместный анализ информации, полученной с обсерваторий ГРАНАТ, ASCA и CGRO, во время яркой вспышки GRO J1655-40. Исследование динамики изменения вклада теплового излучения аккреционного диска в энергетический спектр источника во время вспышки источника.

4. Измерение сверхэддингтоновской рентгеновской светимости барстера-пульсара GRO J1744-28 во время рентгеновских всплесков и между ними по данным прибора ВОТЧ.

5. Интерпретация результатов рентгеновских наблюдений источника GRO J 17.44-28 в модели Баско и Сюняева сверхкритической аккреции на нейтронную звезду, обладающую сильным магнитным полем.

6. Составление каталога космических гамма-всплесков, зарегистрированных в 1989-1994 гг. прибором ВОТЧ. Восстановление временных историй и измерение основных характеристик гамма-всплесков.

7. Локализация источников гамма-всплесков. Пространственная калибровка детекторов ВОТЧ. Выявление систематических погрешностей измерения положений, сведение их влияния до минимума.

8. Анализ распределения источников гамма-всплесков, зарегистрированных прибором ВОТЧ, по небесной сфере на различных угловых масштабах. Выявление группирования положений источников всплесков на небе.

Апробация работы

Результаты диссертации представлялись на конференции, посвященной 100-летию открытия рентгеновских лучей (Вюрцбург, Германия,

1995 г.), конференции по аккреционным дискам (Мюнхен, Германия,

1996 г.), конференции "Физика нейтронных звезд" (Санкт-Петербург,

1997 г.), симпозиуме скандинавских стран по теоретической астрофизике (Копенгаген, Дания, 1997 г.), а также докладывались на семинарах в Институте астрофизики Макса Планка (Мюнхен, Германия) и обсерватории г. Хельсинки (Финляндия). По теме диссертации опубликовано 7 работ и выпущено 10 телеграмм Международного Астрономического Союза.

Структура и объем

Диссертация состоит из предисловия и двух частей, каждая из которых включает три главы, имеет заключение и список литературы.

2 Содержание работы

Во Введении сформулированы проблемы, обсуждаемые в диссертации, кратко описаны основные результаты и структура.

Часть I посвящена исследованию транзиентных рентгеновских источников по данным долговременного обзора неба прибором ВОТЧ обсерватории ГРАНАТ.

В Гпаве 1 приведено описание прибора ВОТЧ обсерватории ГРАНАТ. Описан принцип восстановления кривых блеска рентгеновских источников из временной истории скорости счета, записываемой прибором. Представлен метод, позволяющий определять ориентацию системы координат космического аппарата ГРАНАТ по отношению к системе небесных координат в режиме вращения спутника приблизительно вокруг направления на Солнце. В таком режиме обсерватория ГРАНАТ работала начиная с октября 1994 г. Данный метод позволил восстанавливать кривые блеска рентгеновских источников во время периода сканирования неба с точностью, сравнимой с точностью, достижимой во время стандартных направленных наблюдений в режиме трехосной стабилизации спутника.

В Гпаве 2 представлены результаты многолетних наблюдений двух рентгеновских транзиентных источников GRS 1915+105 и GRO J1655-40 прибором ВОТЧ. Эти объекты - единственно известные сегодня галактические источники со сверхсветовым разлетом радиокомпонентов. Представлены кривые блеска обоих источников в диапазоне энергий 8-20 кэВ. Для кривой блеска GRS 1915+105 выполнен временной анализ. Показано, что переменность источника невозможно описать как периодический процесс. Источник отличается нерегулярными изменениями потока с характерным временем порядка месяца. Представлено сравнение рентгеновской кривой блеска GRS 1915+105 с опубликованными в литературе фрагментами кривой блеска источника в радиодиапазоне. Показано, что момент испускания релятивистских облаков плазмы в марте 1994 г. приблизительно совпадает с моментом начала спада рентгеновского потока источника во время вспышки. Представлены результаты совместного анализа наблюдений источника GRO J1655-40 обсерваториями ГРАНАТ (ВОТЧ), ASCA и BATSE во время яркой вспышки 1995 г. Широ-

кополосный рентгеновский спектр излучения демонстрирует наличие двух компонентов: теплового, связанного с излучением аккреционного диска, и степенного на высоких энергиях. Показано, что в течение всей вспышки вклад в общий рентгеновский поток дисковой компоненты был существенным.

В Главе 3 представлены результаты наблюдений рентгеновского транзиентного пульсара-барстера ОНО Л 744-28 прибором ВОТЧ во время вспышки, произошедшей в конце 1995- начале 1996 г. Измеренные значения потока свидетельствуют о том, что рентгеновская светимость источника в максимуме блеска превышала эддингтонов-скую светимость приблизительно в 5 раз. Во время коротких рентгеновских всплесков источника она была выше еще на порядок. Показано, что продолжительность всплесков, а также средний интервал между ними сохранялись практически неизменными во время затухающей фазы вспышки. Мощность всплесков оставалась приблизительно пропорциональной светимости источника между всплесками. Показано, что темп изменения периода пульсара, предсказываемый стандартной теорией дисковой аккреции на магнитную нейтронную звезду, плохо согласуется со значением, найденным из наблюдений. Представлена интерпретация результатов наблюдений источника в рамках модели аккреционной колонки Баско и Сюнява. Показано, что сильная энергетическая зависимость амплитуды пульсаций источника может быть связана с тем, что фотоны низких и высоких энергий выходят из разных областей колонки. Анализ проведен с учетом влияния эффекта искривления лучей сильным гравитационным полем вблизи поверхности нейтронной звезды.

Часть II посвящена исследованию космических гамма-всплесков по данным прибора ВОТЧ.

В Главе 4 описано составление каталога гамма-всплесков, зарегистрированных прибором в период работы обсерватории ГРАНАТ в режиме трехосной ориентации в 1989-1994 гг. Описан метод регистрации и отбора всплесков, имеющих космическое происхождение, из общего количества всплесковых событий, регистрируемых детекторами. Всего в каталог входят около 100 всплесков, для каждого из которых измерены продолжительность, максимальный поток и энерговыделение в двух диапазонах энергий: 8-20 и 20-60 кэВ.

Также представлены временные истории всплесков в двух диапазонах энергий. Показано, что при переходе к более высоким энергиям профиль всплесков становится более узким. Приблизительно 15% зарегистрированных всплесков демонстрируют дополнительную активность в мягком рентгеновском диапазоне до или после основного всплеска. Распределение в пространстве наиболее мощных событий, регистрация которых не зависит от их детектирования другими приборами, согласуется с однородным.

В Гпаве 5 представлены результаты проведенной работы по определению положений на небе источников гамма-всплесков из каталога прибора ВОТЧ. Описываются методы, использовавшиеся для выявления различных систематических эффектов и уменьшения и* влияния на точность локализаций. По данным наблюдений постоянных рентгеновских источников проведена калибровка углов установки детекторов ВОТЧ на обсерватории ГРАНАТ. Там где это было возможно для определения точной ориентации космического аппарата во время всплесков использовалась информация звездного датчика телескопа СИГМА. В результате для 47 наиболее мощных всплесков получены их положения на небе с точностью (на уровне значимости Зет), ва-рьирущейся от 0,2 до 1,5 град. дуги.

В Главе 6 проведен анализ распределения положений источников гамма-всплесков на небе. Построена карта времени наблюдения различных областей небесной сферы прибором ВОТЧ. Распределение источников всплесков на больших угловых масштабах согласуется с изотропным. На малых угловых масштабах обнаружены компактные группы положений всплесков, вероятность случайного образования которых мала:< 0.1%. Вместе с аналогичными детектированиями других экспериментов данный факт может интерпретироваться как свидетельство пространственного группирования источников всплесков. Приведены первые результаты текущей работы по сравнению локализаций, полученных по данным прибора ВОТЧ и межпланетной спутниковой сети.

Основные выводы и результаты диссертационной работы

1. Получены долговременные рентгеновские кривые блеска рентгеновских транзиентов - сверхсветовых источников GRS 1915+105 и GRO J1655-40. Переменность источников - не периодическая, имеет характер хаотической смены периодов относительного спокойствия и ярких вспышек.

2. Детектирование повышенной рентгеновской активности у источника GRS 1915+105 весной 1994 г. способствовало открытию радиоастрономами первого в Галактике сверхсветового источника.

3. Показано, что во время вспышки источника GRO J1655-40 в его энергетическом спектре все время присутствовал компонент, связанный с тепловым излучением аккреционного диска. Соотношение вкладов тепловой и степенной составляющих в спектр источника менялось сложным образом во время вспышки.

4. Зафиксировано превышение эддингтоновского предела на светимость нейтронной звезды у GRO J1744-28: между всплесками в ~ 5 раз, во время всплесков в ~ 50 раз.

5. Предложена интерпретация результатов наблюдений GRO J1744-28 в рамках модели аккреционных колонок Баско и Сюняева.

6. Составлен каталог космических гамма-всплесков по данным прибора ВОТЧ. Измерены основные наблюдательные характеристики и построены временные истории всплесков. Зарегистрировано дополнительное мягкое рентгеновское излучение, сопровождающее часть всплесков.

7. Получены 47 точных положений источников гамма-всплесков на небе. Они могут использоваться для поиска корреляций с различными классами астрономических объектов.

8. Показано, что распределение источников гамма-всплесков по небесной сфере однородно на больших угловых масштабах. В то

же время выявлены пекулярные компактные скопления нескольких положений всплесков, которые могут свидетельствовать о пространственном группировании источников всплесков.

Основные публикации по теме диссертации

1. Сазонов С., Лапшов И., Сюняев Р., Брандт С., Лунд Н., Кастро-Тиродо С. Два года наблюдений рентгеновского источника GRS 1915+105 прибором ВОТЧ обсерватории ГРАНАТ//'Письма в АЖ. 1994. Т.20. С.901.

2. Terekhov О., Denissenko D., Sunyaev R., Sazonov S. et al. Review of Granat Observations of Gamma-Ray Bursts// Astr. and Space Science. 1995. V.231. P.31.

3. Sazonov S., Sunyaev R. and Lund N. Long-term X-ray Observations of Galactic Superluminal Sources with GRANAT/WATCH. Proceedings 'Röntgenstrahlung from the Universe', MPE Report 263, Ed. H. Zimmerman. 1995. P. 187.

4. Sazonov S., Sunyaev R. and Lund N. Super-eddington luminosity in the bursting pulsar GRO J1744-28. Granat/WATCH results// Proceedings EARA Workshop 'Accretion Discs - New Aspects', LNP 487, Eds. E. Meyer-Hofmeister, H. Spruit. 1997. P. 199.

5. Zhang S., Ebisawa K., Sunyaev R., Ueda Y. Harmon A., Sazonov S. et al.. Broad band high energy observations of the superluminal jet source GRO J1655-40 during an outburst// ApJ Letters. 1997. V.479. P.381.

6. Сазонов С., Сюняев P., Лунд H. Сверхэддингтоновская светимость барсетра-пульсара GRO J1744-28: наблюдения прибором ГРАНАТ/ВОТЧ// Письма в АЖ. 1997. Т.23. С.326.

7. Sazonov S., Sunyaev R., Terekhov О., Lund N., Brandt S., Castro-Tirado A. GRANAT/WATCH catalogue of cosmic gamma-ray bursts: December 1989 to September 1994// Astro-ph N.9708156. 1997.