Исследования галактических источников рентгеновского излучения приборами орбитального модуля "Мир-Квант" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ



<Ъ

#

Ч!

На правах рукописи

Боркус Владислав Валентинович

Исследования галактических источников рентгеновского излучения приборами орбитального модуля "Мир-Квант"

01.03.02 Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва /" / ¡^

1998 /

Работа выполнена в Институте космических псследовании РАН Научный руководитель

кандидат физико-математических наук А. С. Каниовский Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. A.M. Гальпер (Московский инженерно-физический институт) доктор физико-математических наук, проф. В. М. Липунов (Государственный астрономический институт им. Штернберга при МГУ)

Ведущая организация:

Главная астрономическая обсерватория РАН (Пулково)

Защита диссертации состоится 5 июня I99S г. в 11.45 на заседании диссертационного совета при 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 5 мая 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К002.94.01,

кандидат технических наук Нестеров В.Е.

Актуальность темы

Кандидаты в черные дыры и аккрецирующие нейтронные звезды продолжают привлекать внимание астрофизикой, т.к. механика аккреции вещества на эти объекты пока до конца не ясна. Дополнительные наблюдения позволяют получить более полную информацию о свойствах материи, находящейся вблизи компактных объектов, и глубже понять происходящие в этой области физические процессы.

С 1987 по 1996 год обсерваторией "Рентген" на орбитальном модуле "Мир-Квант" было исследовано несколько десятков источников рентгеновского излучения. Приборы этой обсерватории — телескоп с кодирующей апертурой ТТМ, спектрометры жесткого рентгеновского излучения HEXE и Пульсар Х-1, газовый сцинцилляционный счетчик GSPC — позволяли регистрировать космическое рентгеновское излучение в диапазоне 2-800 кэВ. Обсерваторией наблюдались как давно известные объекты, например, кандидат в черные дыры Лебедь Х-1 и пульсар А0535+26, так и множество недавно открытых источников, таких как пульсар-барстер GRO J1744-28 и рентгеновские новые.

В данной работе представлены и систематизированы основные результаты наблюдений галактических рентгеновских объектов, принадлежащих различным классам (пульсары, барстеры, Z-источники и кандидаты в черные дыры), спектрометром HEXE и частично телескопом ТТМ. Помимо этого, рассматриваются возможности дальнейшего исследований подобных объектов с помощью создаваемого в настоящее время монитора всего неба для орбитальной станции "Альфа".

Цель работы

Основная цель работы заключалась в анализе данных наблюдений галактических источников рентгеновского излучения приборами обсерватории "Рентген" на орбитальном модуле "Мир-Квант".

Научная новизна

В работе приводятся результаты исследования и анализа свойств примерно двадцати рентгеновских источников, многие из которых были обнаружены и впервые изучены обсерваторией "Рентген". Приводятся спектры этих источников, кривые блеска, результаты временного анализа. Например, исследованы свойства кандидата в черные дыры Лебедь Х-1. По данным шестилетних наблюдений обнаружена корреляция между формой широкополосного спектра этого источника и рентгеновским потоком от него. Для некоторых других кандидатов в черные дыры также обнаружена связь между потоком и формой спектра. Данные по кандидатам в черные дыры обсуждаются в рамках модели комптонизации низкочастотных фотонов в облаке высокотемпературных электронов.

Представлены результаты наблюдений пульсара-барстера в 110 Л744-28, открытого в декабре 1995 года: временная история, спектр, изменение профиля импульса с энергией и спектра с фазой импульса. Сравниваются свойства ряда аккрецирующих нейтронных звезд и показывается существование жесткого спектрального состояния этих объектов, которое сложно объяснить в рамках обычной теории аккреции.

Практическая ценность

Приведенные экспериментальные данные (энергетические спектры, спектры мощности, корреляции между различными параметрами) пригодны для непосредственного сравнении с теоретическими моделями и результатами других экспериментов. Математические методы и программное обеспечение, разработанные дли обработки данных прибора HEXE, могут быть использованы при работе с другими приборами. Программное обеспечение и алгоритмы, созданные в ходе математического моделирования монитора всего неба для станции "Альфа", можно будет применить и для обработки данных этого прибора.

Апробация

Данная работа была представлена и обсуждена на ученом совете отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН. Отдельные результаты докладывались на 30-й ассамблее COSPAR (Гамбург, Германия, 1994), конференциях "The transparent universe: Integral Workshop 2" (Сен-Мало, Франция, 1996) и "The all-sky X-ray observations in the next decade" (Токио, Япония, 1997), П-м международном симпозиуме ученых и исследователей России и США, выполняющих исследования по программе "Наука-НАСА" (Москва, 1996), проведенном ЦНИИМАШ, а также на семинарах отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН и Лос-Аламоской национальной лаборатории США. В основу диссертации положены результаты 8 научных работ, опубликованных в 1995-1998 гг.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения и семи глав, посвященных изучению свойств рентгеновских источников по данным приборов модуля "Квант" (1-6 главы) и математическому моделированию монитора всего неба для орбитальной станции "Альфа" (7-я глава). Объем работы — 150 стр. Имеется 97 рис. и 18 табл.

Содержание работы

Во введении дано описание предмета диссертации, дается представление о ее содержании, вкратце описываются устройство и методы обработки данных приборов ТТМ и HEXE обсерватории "Рентген".

В первой главе излагаются результаты осуществленных в 1988-1995 гг. в диапазоне энергий 2-200 кэВ наблюдений кандидата в черные дыры Лебедь Х-1. Во время этих наблюдений источник был зафиксирован в различных спектральных состояниях, соответствующих состояниям угуз по классификации Линга и др. (Ling J.С., Mahoney W.A., Wheaton W. A., Jacobson A.S. Astrophys. J. 1987. V. 321. L117).

Наблюдения источника приборами- ТТМ и HEXE позволили построить его широкополосные спектры в диапазоне 2-200 кэВ и впервые детально исследовать различия в форме этих спектров в состояниях уг и yi-

Показывается, что в состоянии У2 спектр не зависит от светимости. Проведенный анализ широкополосных рентгеновских спектров позволил установить, что спектр источника в состоянии уг не удается приемлемо описать при помощи одной лишь комптонизационной модели и требуется

введение дополнительных составляющих, например компоненты, "отраженной" от аккреционого диска.

Демонстрируется, что в состоянии yi спектр в диапазоне 2-200 кэВ приближенно описывается степенным законом с показателем у~2,1. Данные ТТМ указывают на то, что в этом состоянии в спектре источника присутствует слабая мягкая компонента, характеризующаяся температурой чернотельного излучения -0,5 кэВ.

Кроме того, в главе приводятся результаты временного анализа источника Лебедь Х-1, и показывается, что по мере снижения светимости падает и мощность низкочастотного шума источника.

Вторая глава посвящена изучению источников-кандидатов в черные дыры IЕ1740.7-2942, GRO J1655-40, GRS 1915+105, GRS 1758-258, GRO J0422+32, GRS 1716-249, GRS 1009-45, GS 2000+25, GS 2023+338. Получены спектры этих источников, спектры мощности низкочастотного шума, обнаружены корреляции между спектральными параметрами и светимостью. Показывается, что от всех объектов наблюдается жесткое рентгеновское излучение на энергиях в 100 и более килоэлектронвольт. Однако конкретные свойства разных источников отличаются.

Демонстрируется, что примерно половина источников имеет спектры, похожие на спектр кандидата в черные дыры Лебедь Х-1 в состоянии 72, т.е. в диапазоне 2-50 кэВ они приближенно описываются степенным законом с фотонным индексом 7=1,3-И,9, а затем экспоненциально спадают.

Спектры других источников имеют степенной вид в диапазоне 20-200 кэВ с у>2, и, помимо прочего, содержат сильную мягкую

компоненту. Показывается, что, как правило, у источников первого типа наблюдается мощный низкочастотный шум, в то время как у источников второго типа этот шум слабее.

Третья глава посвящена исследованиям свойств пульсара-барстера ОЯО Л744-28, открытого обсерваторий СОЯО в декабре 1995 г. В начале 1996 г. было проведено две серии наблюдений источника обсерваторией "Рентген", интервал между которыми составил месяц.

Показывается, что если расстояние до источника порядка расстояния до центра Галактики, то его светимость на момент наблюдений превышала эддингтоновский предел для нейтронной звезды массы 1,4

Обсерваторией "Рентген" была сделана независимая оценка периода пульсаций -0,467 с и темпа его эволюции, получены профили импульса источника в различных энергетических диапазонах. Эти профили имеют почти синусоидальную форму, а амплитуда пульсирующей компоненты растет от -20 (в диапазоне до 30 кэВ) до -25% (в более жестких каналах).

Сделанные наблюдения позволили' зафиксировать и детально исследовать несколько мощных всплесков от С КО 11744-28, имеющих продолжительность 8-10 с. Светимость источника во всплесках в 5-10 раз превышала свое среднее значение, достигая 1039 эрг/с и более. Показано, что после каждого из всплесков поток от источника резко спадает, уменьшаясь до -80% от нормального уровня, а затем начинает медленно возрастать. Примечательно, что спектры всплесков в диапазоне 20-80 кэВ в пределах имеющейся статистики оказались аналогичны спектру основной компоненты.

Получен усредненный спектр источника. Он ока чал си несколько более жестким, чем предсказывает "каноническая" для рентгеновских пульсаров модель (White N. Е., Swank J. Н„ Holl S. S. Astrophys. .1. 19S3. V. 270. 1'. 711), со значительным избытком фотонов в области 60-120 кэВ, который, как оказалось, может быть скомпенсирован введением дополнительной степенной компоненты. Приведенный в главе анализ показывает, что эта компонента скорее всего принадлежит соседнему с GRO J1744-28 источнику: транзиепту GRS J1739-27S. Таким об разом, спектр GRO J1744-28, по всей видимости, описывается "канонической" моделью без каких-либо спектральных особенностей в диапазоне 20-200 кэВ.

В четвертой главе описываются результаты исследования рентгеновского пульсара GX 301-2 по данным наблюдений этого источника прибором HEXE в 1993-1994 гг. В ходе этих наблюдений светимость источника в диапазоне 20-100 кэВ изменялась почти на порядок (от 8х 1034 <fi до 7x1035 d2 эрг/с, d ~ расстояние до источника в килопарсеках). Показывается, что вместе с ней изменяются и наблюдаемые свойства пульсара: профиль импульса и жесткость сггектра. Помимо этого, обнаружены значимые вариации жесткости спектра по фазе импульса.

В главе также приводятся результаты временного анализа низкочастотного шума. Демонстрируется, что гик шумовой компоненты в жестком диапазоне составляет около -20%, что сопоставимо со значениями, полученными прибором EXOSAT в диапазоне 2-20 кэВ (Beloni Т., Hasinger G., Astron. Astrophys. 1990. V. 227. L33).

Профили импульса пульсара интерпретируются в рамках модели вращающейся нейтронном звезды с двумя излучающими полярными шапками, учитывающей гравитационные эффекты. Показывается, что наиболее вероятный наклон магнитной оси пульсара относительно его оси вращения составляет 40-70°, а угол между направлением на наблюдателя и осью вращения ~75-85°.

В пятой главе представлены результаты наблюдений прибором НЕХЕ нескольких "гигантских" вспышек от рентгеновского пульсара А0535+26 в апреле 1989 г., ноябре 1993 г. и феврале 1994 г. Приводятся периоды пульсаций, профили импульса в различных энергетических диапазонах, и рассматривается их переменность во времени. Получены спектры мощности низкочастотного шума источника в диапазоне 2х10"3— 1 Гц; показано, что форма каждого из этих спектров типична для процессов типа шума мерцаний, часто наблюдаемого у кандидатов в черные дыры и у некоторых пульсаров. Обнаружено, что доля шумовой компоненты (/уда) в общем потоке от источника растет с увеличением энергии от ~20% на 20 кэВ до -30% на 80 кэВ.

Приведены фотонные спектры в диапазоне 15-200 кэВ и изучена их переменность с фазой импульса. Показано, что форма каждого из этих спектров лишь приближенно может быть описана моделью "канонического" для рентгеновских пульсаров континуума. Обнаруженные отклонения на энергии -100 кэВ (а также изменения профиля импульса с энергией) объясняются циклотронным поглощением в магнитном поле напряженностью ~1013 Гс.

В заключение, данные HEXE сравниваются с результатами наблюдении Л0535+26 прибором BATSЕ обсерватории CGRO (Бильдстен и др., 1997). Демонстрируется качественное различие профилем импульса в состоянии источника со светимостью L~10ls эрг/с и /~5х 10,л эрг/с. Эти различия объясняются в рамках теории аккреции на замагниченные нейтронные звезды (ßasko М.М., Simyaev R.A. Astron. Astropliys. 1975. V. 42. Р. 311; Basko M.M., Suiiyaev R.A. MNRAS. 1976. v. 175. P. 395) качественным изменением структуры аккреционной колонки.

В шестой главе рассматриваются результаты исследования 11 аккрецирующих нейтронных звезд по данным прибора HEXE: рентгеновских источников Circinus Х-1, KS 1731-260, 4U 1700-37, Скорпион Х-1, Центавр Х-3, Геркулес Х-1, 4U 1626-67, Паруса Х-1, GRS 0831-429, 4U 0115+63, а также объекта Лебедь Х-3, для которого точно не известно, является ли он аккрецирующей нейтронной звездой или кандидатом в черные дыры (см. Е. Ergma, L. R.Yungelson LANL preprint. 1997. Astro-ph. №9711197).

Приводятся спектры этих источников и обсуждается их подобие, а также изменения спектральных параметров при изменении светимости. Также обсуждаются экспериментально обнаруженные исключения — состояния с очень жесткими спектрами.

Показывается, что многие источники проявляют в жестком рентгеновском диапазоне значительный низкочастотный шум. Также приводятся профили импульсов в различных энергетических диапазонах.

Результаты, полученные по прибору HEXE, сравниваются с данными других обсерватории.

Седьмая глава посвящена изучению возможности дальнейшего исследования рентгеновских источников с помощью монитора всего неба для орбитальной станции "Альфа". Монитор представляет собой систему из четырех телескопов с кодирующей апертурой. Получены теоретические оценки чувствительности и рассматривается схема математического моделирования прибора. Излагаются результаты этого моделирования, приводятся полученная карта чувствительности прибора и оценка точности локализации источников.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту

1. Прослежены изменения широкополосного спектра кандидата в черные дыры Лебедь Х-1 при изменении потока от источника. Обнаружены мягкая компонента с чернотельной температурой -0.5 кэВ в спектре источника в состоянии у[ и свидетельства присутствия "отраженной" компоненты в спектре в состоянии ti- Обнаружена корреляция между светимостью источника, мощностью его низкочастотного шума и жесткостью спектра. Продемонстрирована тождественность спектров коротких вспышек от источника Лебедь Х-1 и его среднего спектра.

2. Составлен каталог кандидатов в черные дыры по данным обсерватории "Рентген". Продемонстрированы общие черты и различия спектров этих источников. Дана классификация кандидатов в черные дыры на основе данных обсерватории "Рентген".

3. Обнаружены и исследованы есплсски от пульсара-Схфстера GRO J1744-28. Продемонстрирована тождестве! и юс'п> спектров всплесков и среднего спектра источника. Обнаружено также, что спектр пульсара-барстера GRO JI744-28 изменяется с фазой импульса.

4. Зафиксированы изменения спектрального состояния пульсара GX301-2 и формы профиля импульса при росте темпа аккреции в источнике.

5. Обнаружены качественные изменения формы профиля импульса пульсара А0535+25 при увеличении его светимости: дано подтверждение предсказания теории аккреции на сильно замагниченные звезды.

6. Подтверждено существование особенности в спектре А0535+26 — предположительно линии циклотронного поглощения в магнитном поле ~1013 Гс.

7. Составлен каталог аккрецирующих нейтронных звезд по данным прибора HEXE обсерватории "Рентген". Показано существование жесткого спектрального состояния у аккрецирующих нейтронных звезд на примере источников из каталога HEXE.

8. Обнаружено жесткое спектральное состояние пульсара 4U0115+63.

9. Рассмотрены возможности дальнейших исследований рентгеновских источников на примере математического моделирования монитора всего неба для орбитальной станции "Альфа". Определена чувствительность этого прибора к обнаружению рентгеновских новых и дана оценка точности их локализации с его помощью .

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Боркус В.В., Каниоискип A.C., Ефремов В.В., Бороздин К.Н., Сюняев P.A., Александрович Н.Л., Арефьев В.А., Кендзиорра Е., Кречмар П., Кунц М., Майсак М., Штауберт Р., Энглхаузер Я., Питч В., Реппин К., Трюмпер Й., Скиннер Дж. К. Наблюдения рентгеновского источника Лебедь Х-1 обсерваторией "Рентген" на орбитальном модуле "Мир-Квант". // Письма в Астрон. журн. 1995. Т. 21. С. 883.

2. Боркус В.В., Каниовский A.C., Ефремов В.В., Бороздин К.Н., Сюняев P.A., Александрович Н.Л., Арефьев В.А., Кендзиорра Е., Кречмар П., Кунц М., Майсак М., Штауберт Р., Энглхаузер Я., Питч В., Реппин К., Трюмпер Й., Скиннер Дж. К. Наблюдения рентгеновского пульсара-барстера GRO J1744-28 прибором HEXE обсерватории "Мир-Квант". // Письма в Астрон. журн. 1997. Т. 23. С. 483.

3. Боркус В.В., Каниовский A.C., Сюняев P.A., Ефремов В.В., Кречмар П., Штауберт Р., Энглхаузер Я., Питч В. Свойства пульсара GX 301-2 в жестком рентгеновском диапазоне. // Письма в Астрон. журн. 1998. Т. 24. №2. С. 83 (также LANL preprint. 1997. Astro-ph. №9712127).

4. Боркус В.В., Каниовский A.C., Сюняев P.A., Ефремов В.В., Кречмар П., Штауберт Р., Энглхаузер Я., Питч В. Наблюдения пульсара А0535+26 в жестком рентгеновском диапазоне. // LANL preprint. 1998. Astro-ph. №9804181.

5. Kaniovsky A.S., Arefiev V.A., Aleksanclrovich N.L., Borkous V.V., Borozdin K.N., Efremov V.V., Sunyaev R.A., Kciul/.iona II., Kretschmar P., Kunz M., Maisack M., Sfaubeil R., Doeberainer S., Eiiglliauser J., Pietsch W., Rcppin C., Truemper J., Skinner G. K., Willmore A. P., lirinkman A. C., Heisse J., Jager R. Tliгее hard X-ray transients: GRO J0422+32, GRS 1716-24, GRS 1009-45. Broad band observations by Roentgen-Mir-Kvant observatory. // Advances in Space Research. Proc. COSPAR 17. 1997. (Elsever Science) V. 19. P. 29.

6. Borkous V.V., Kaniovsky A.S., Sunyaev R.A., Efremov V.V., Kendziorra E., Kretschmar P., Kunz M., Maisack M., Staubert R., Englliauser J., Pietsch W., Reppin C., Truemper J. Hard X-ray observations of the bursting pulsar GRO J1744-28 by HEXE onboard Mir-Kvant. // The transparent universe: Proc. Integral Workshop 2. 1997. P. 299.

7. Borkous V., Kaniovsky A., Pavlinsky M., Babalian G. Imaging Capabilities of X-ray All Sky Monitor for Alpha Space Station. // All-sky X-ray observations in the next decade: Proc. of workshop for ASM and GRB missions in X-ray band (Ed. M. Matsuoka, N. Kawai). 1997. P. 265.

8. Pavlinsky M., Babalian G., Borkous V., Grebenev S., Chulkov I., Prutkogliad A., Sunyaev R., Gluslienko A., Mokrousov N., Ariamkin V. X-ray all sky monitor for Alpha space station. // All-sky X-ray observations in the next decade: Proc. of workshop for ASM and GRB missions in X-ray band (Ed. M. Matsuoka, N. Kawai). 1997. P. 259.

055(02)2 Ротапринт ИКИ PAH

Москва, 117810, Профсоюзная 84/32

Подписано к печати ¿4.04.98

Заказ U Z2,

Формат 70x108/32

Тираж 100 0,5 уч-изд. л.