Методы временного анализа рентгеновских источников по данным обсерватории "Гранат" и "Гамма"-модуля тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НА УК

на правах рукописи

ЛОЗНИКОВ Владимир Михайлович

МЕТОДЫ ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА РЕНТГЕНОВСКИХ ИСТОЧНИКОВ ПО ДАННЫМ ОБСЕРВАТОРИИ "ГРАНАТ" И ТАММА"-МОДУДЯ.

Специальность 01,03.02 - астрофизика, радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Институте Космических Исследован» Российской Академии Наук.

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук

Официальные оппоненты :

доктор, физико-математических наук профессор

доктор физико-математических наук профессор

Ведущая организация - Московский Государственный Университет

имени М. В. Ломоносова Государственный Астрономический Институ имени П. К, Штернберга

Зашта диссертации состоится 1994 г. в часов н;

заседании специализированного совета к/.002.94.01 Института Космических Исследований'РАН.

Мзлиоранский Аркадий Сергеевич

Курт

Владимир Гдалевич Гальпер

Аркадий Моисеевич

Адрес: 117810, г.Москва, ГСП-7, ул.Профсоюзная, 84/32

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институт. Космических Исследований РАН

Автореферат разослан • 1994 года.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физико-математических наук Титов Д. В.

1 .

Общая характеристика работы В работе представлены результаты последних трех лет временного анализа трех рентгеновских пульсаров Спринадлежащих разным классам) из ряда пульсаров, наблюдавшихся астрофизическими, обсерваториями

"ГРАНАТ" и "ГАММА",, а также некоторые приложения метода спектра • %

интервалов, - основанного на новом. (третьем) определении ковариационной функции.

Актуальность теми и цель работы. Сведения о двойных ¡ентгеновских системах представляют собой данные фундаментального сарактера, которые входят составной частью в современную астрономии, >заимосвязаны с другими ее разделами. Непрерывнее пополнение и точнёние этих данных было и остается важнейшей задачей.

Несмотря на то, что рентгеновские источники в двойных системах [аблюдаются уже более SO лет и достигнуты значительные успехи в юнкмании природы их излучения и механизмов их образования, почти :аадое новое наблюдение приносит неожиданную информацию, а иногда ' и врпризы в поведения рентгеновских источников"; изучение которых озволяет,получать новые знания.

В связи с этим важнейшими элементами исследования являются нализ новых дашвд, усовершенствование известных и разработка новых етодов временного анализа, '

Научная новизна и практическое значение работы ) Нетрадиционная интерпретация диаграммы Корбета позволила найти оэможность объяснения положения двойной Ве-системы ■ 4U 0352+30 / Per на диаграмме Сесли ее орбитальный период равен найденному в 1тике 4-580 дней) как члена подсистемы Ве-звезд, описываюдейся зямой с наклоном 2,29;

2) Обнаружены быстрые С 51.5 ч) скачкообразные вариации профиля

-к

импульса Х-пульсара в (велико-) массивной системе Vela Х-1 / HD77581,,происходящие синхронно во всем диапазоне (2-23 кэВ); -обнаружена корреляция между фазой глобального минимума профиля импульса Х-пульсара Vela Х-1 ~ и величиной потока модулированной компоненты, т.е.' меньшим потокам соответствует преимущественно одна фаза (Ч>. 1), а большим потокам - другая (Ч). 6); -предложено интерпретировать различие фаз (-4).53 двух устойчивых состояний как переходы от аккреции преимущественно на один полюс НЭ к аккреции преимущественно на другой 'полюс при -изменении темпа аккреции; ч ■

3) Обнаружено, что постоянное» ускорение ¿ращения Х-пульсара в маломассивной системе 4U 1626-67 / KZ ТгА прекратилось, сменившись этапом замедления;

-предложен.и реализован новый модифицированный метод доплеровских лучевых скоростей для определения орбитальных параметров маломассивных систем;

-впервые В «^-Диапазоне определены орбитальные параметры маломассивной системы 4U 162S-67 / KZ ТгА:

проекций {¡ольшо} полуоси, эксионтрисияет,-долгота nupi/acmpa, орбктальн;!» эпоха. '

Это ПОЗВОЛИЛО найти значение функции пасс, оценить маису оптического Компонента, наклонение ор'Ыти. ■ -

4) Введено понятие кросс-спектр*- интервалов между всеми парами событий из двух случайных последовательностей;

-доказана1 w-'opexa о тождественности оценки кроос-спект; а интервалов ■и соответствующей кросс-ковариационной функции, т.е.

-з

-дано третье определение ковариационной функции как распределение интервалов.между всеми парами событий случайного потока;

-уточнено определение дискретной корреляционной функции; ^ «

-найдена связь двухточечной корреляционной функции со спектром 1Нтервалов ССГО между всеми парами событий .случайного ряда, -показано, что нормировочный коэффициент двухточечной корреляционной-функции может быть вычислен, как матожидание 'СИ соответствующего lyaccoHOBCKoro ряда;

-применение метода СИ позволило обнаружить периодичность во вспышках "Быстрого Барстера" №В 1730-335,

Апробация. . В основу диссертации положены результаты 7 научных -забот, опубликованных в 1991-1993гг. Эти результаты докладывались на земинаре отдела Астрофизики высоких энергий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех -лав и заключения, вклпчает 22 рисунка, 3 таблицы и список ттературы из 250 наименований. Объем ее составляет ICO страниц.

ч

- г

Основные положения, выносимые на защиту: .. Временной анализ массивной двойной Ве-системы 4U 0352+30 / X Per. ¡. Временной анализ массивной двойной Vela Х-1 C4U 0352+30)/HD77581. I. Временной анализ маломассивной рентгеновской двойной системы Ш626-67 / X Per.

,. . Определение орбитальных параметров рентгеновского пульсара ,1)1626-67. .

!. Приложения метода Спектра Интервалов (или- третьего определения :орреляционной функции).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении дано краткое описание основных структур вещества и ■ поля, ответственных за Х-излучение и его временные вариации i -двойной системе,

• Приведена классификация темпоральных вариаций, а также -'общепринятая классификация двойных систем по массе вторичного компонента и по типу компактного компонента.

,.' Даны краткие характеристики НМХВ и LMXB систем.

Рассмотрены некоторые непериодические явления и модель источников и структур, ответственных оа них: -транэиенты; -

-барстеры; » .

-вспышки*типа Суд Х-1 и Seo Х-1; -QPQ и шум в спектрах мощности LMXB; -подобие шумовых свойств КЧД и НЭ;

Рассмотрены периодические явления в Х-двойных." Приведены два общепринятых способа формирования диаграммы импульса. ' &

Дано определение модуляционного индекса.

Приведена феноменологическая модель зависимости профиля импульса от светимости.

Рассмотрена диаграмма Корбета (зависимость Ps .от РогЬ для пульсаров в двойных' системах) и общепринятая классификация для НМХВ Х-систем в соответствии с теорией быстрого сферического ветра (для сверхгигантов" прямая с наклоном 4/7) и медленного дископодобногс »етра (для Ве-сиотем прямая с наклоном 2 или 2.29).

Выявлены (посредством диаграммы Корбета) два класса двойных R-пулъсаров (околосекундных - с наклоном 2, и миллисекундных р наклоном 4/4) и, возможно, третий класс (секундных - горизонтальная прямая). •

Найдена возможность выделения двух подсистем среди Ве-систем: . одна концентрируется к прямой с наклоном 2, другая -с наклоном 2.29.' ■ ■

Рассмотрена диаграмма Байкала (зависимость log Дм от log Ы, получаемая из эволюционной зависимости Ps от времени) как простой способ выявления случайных блужданий. "

Дано "сравнение Х- и R- пульсаров.

Отмечена возможность существования тройных Х-систем.

Дано краткое описание движение в двойной системе.

Обоснована необходимость использования Х-пульсаров как инструмента исследования двойной системы.

Кратка рассмотрены распределения Пуассона и Эрланга;

*

распределение интервалов' для однородного и неоднородного законов Пуассона.

Приведены два определения ковариационной функции.

Приведен вывод спектра мощности волнового пакета.

Дан краткий сравнительный анализ наиболее популярных методов поиска'перио личностей.

Описаны алгоритмы . наиболее популярных ' методов поиска перяодичностей! спектра мощности Скаргле, спектра мощности Рэлея, 2*-теста, ^-метода и др.

Глава 1 посвящена временному анализу результатов наблюдений рентгеновского пульсара 4U 0352+30 (X Per) телескопом АРТ-П

обсерватории "ГРАНАТ" в диапазоне 3+30 кэВ.

Определен период пульсара С 835.45+0.12 о и 835.67+0.17 с? для двух сеансов наблюдений С 12.11 и 13.VIII. 1990 г.).

Сделаны предположения о природе наблюдаемых вариаций величины периода.

Предложены варианты', поиска значения орбитального период а в

■ 6 -зависимости- от возможной модели двойной системы и характер* •аккреции. '

Найдена возможность объяснения положения X Per на диаграмм« Корбета Сесли его орбитальный период действительно ~580 дней) Kai члена подсистемы Ве-звезд, описывающейся прямой с наклоном 2.29.

Глава 2 посвящена временному •анализу результатов набл»дени{

рентгеновского пульсара Vela Х-1 - инструментом "Пульсар -Х-2",

«

установленным на ТАММА-мрдуле",. в диапазоне 2+25 кэВ.

Сделана оценка интегральной светимости - пульсируют составлявшей в диапазоне 2 4.25 кэВ в предположении степенного-спектр« с индексом -а=1.2. Светимость имела среднюю ' величин] Lx= 0.64-10,в зрг/с, измейяясь в пределах от 0.35-10** эрг/с . Д( 1.9-10*? зрг/с. ■

Определен период пульсара ( 283.24C87¿31) с ) для совокупност! двенадцати сеансов наблюдений (22. IV + 23. IV.1991 г.) < •использованием доплеровских поправок, связанных с движение! источника в двойной системе пр модели III брбиты Дитера и др, (1987)..

Построены средние профили импульса в четырех энергетически: диапазонах (,2-4, 4т8, 8-15, 15-23 кэВ) в SO-фазовых <5инах.

Отмечено, что с увеличением энергии средний профиль импульс; изменяется от многопиково^ структуры к пдчти двухпиковой, при это! фаза глобального минимума сохраняется, но в четвертом диапазон! появля'ется еще один глобальный минимум.. •

Обнаружены быстрые (51.5 ч) окачкорбразные вариации профил импульса X-пульсара Vela Х-1, происходящие синхронно во все; Х-диапазоне С2-25 кэВ). .При этом, появляется новые максимумы подавляются старые в профиле импульса.

Обнаружена корреляция между фазой глобального минимума профил

импульса и Ъеличиной потока модулированной компоненты. • Меньшим

/ х

потокам соответствует преимущественно одна фаза глобального минимума СМЗ. 1), а большим - другая СМ3.6). _ -

Предложено интерпретировать различие фаз 00.5) двух устойчивых состояний как переходы от аккреции преимущественно на один полис НЗ к акреции преимущественно на другой полос при изменении темпа аккреции.

\

Предложено объяснить значительное различие светимостей двух устойчивых состояний различием наблюдаемых" диаграмм излучения аккреционных колонок на двух магнитных полюсах НЗ, т.е. перестройкой структуры аккрецирующих потоков без значительного изменения темпа аккреции.

Отмечено наличие множества узких деталей в структуре пиков профиля импульса, что, -несомненно, указывает на участие, плазмы, текущей вдоль •альфвеновской . поверхности в процессе формирования тонкой структуры импульса (т.е. экранирования излучения).

Глава 3 посвяцена временному анализу результатов наблюдений рентгеновского пульсара 4U1626-67 телескопом АРТ-П обсерватории "Гранат" в диапазоне 4-30 кэВ и определению орбитальных элементов пульсара новым модифицированным методом лучевых скоростей.

Обнаружено, что ускорение. »ращения пульсара (jvp ~ -2-Ю"4 год"'), наблюдавшееся с момента его открытия в 1977г. .инвертировалось, сменившись периодом замедления-СМ> а +2.-5;10-л ГОД"1). ■

При »том светимость источника в диапазоне 4-20 кэВ уменьшилась примерно в два-раза CL^ IO" CD/Юкпк)" эрГ'С"').

Форма импульса стала трехпиковой » диапазоне энергий 4-10 кэВ, почти синусоидальной в диапазоне энергий 10-28 кэВ и сложной » диапазоне 28-40 кэВ.

, - '8 '

Фаза глобального минимума профилей импульсов для всех энергетических диапазонов одинакова, ' -

За время наблюдения не обнаружено мощных вспышек, характерных для данного источника.

Предложен и реализован новый модифицированный метод доплеровских лучевых' скоростей: для - определения орбитальных параметров маломассивных систем, ^уть его в том, что. строится кривая лучевых скоростей 'Сили, что то же самое, ' зависимость величины периода вращения пульсара, от фаза пробного орбитального периода), причем период вращения пульсара для каждой фазы определяется о использованием всего массива данных, имеющих данную фазу. Затем полученная кривая лучевых скоростей используется для определения орбитальных. параметров посредством стандартной процедуры минимизации, причем количество параметров мало в отличие от метода доплеровских временных задержек. 1

Впервые в Х-диапазоне определены орбитальные. параметры маломассивной систеш С4и 1626-67 / К2 ТгА): Сах/с)-51пС1) а С7+3)-КГ* св. с - проекция большой полуоси, е = (0.81®'') - эксцентриситет, и = 319®±30° - долгота периастра, .

Тп ■ = 2448516.89(6+1) Б.ГО орбитальная эпрха С Тя/2 = Тш -((о-л/2) -РосЬ/2я , Ты - момент прохождения периастра; У ,.

- Это позволило найти значение функция масс • КЮ = 1.074 10-,-Сах5Ш(13 / 1 св.сЭ»-(РогЬ/1 сут.Г8!^ *

оценить массу.оптического_компонента

м0 = Мхах/ао = С2.72^;"-)-10-' % Сесли И =1:4 1у. .

наклонение орбиты, 1 = 18.Ч1?-* ■ * ■'

(здесь а = 1.14+0.40 св. с и а э1пС1Э = 0.3610.10 св:с - в® штаны,

- С

найденные Миддледичем и др. <1981)

Показано, что" существуют аналогичные очень . малЪмассйвные системы среди двойных радиопульсаров (PSR 1957+20 и PSI^ 0021-72А).

В Главе 4 введено понятие кросс-спектра интервалов между всем» парами событий из двух случайных последовательностей.

Доказана теорема о тождественности оценки кросс-спектра интервалов и соответствующей кросс-ковариационной функции, т.е.

дано третье определение . ковариационной функции • как распределение интервалов между всеми парами событий случайного потока. ,

Следовательно, СИ может быть использован для вычисления" спектра мощности, причем для получения СИ (при п<1) требуется в (1/п1) раз меньше операций, чем для получения АКФ, если АКФ вычисляется без использования БПФ.

Уточнено определение ДКФ Сдискретной корреляционной функции).

Найдена связь двухточечной корреляционной функции со спектром интервалов С СЮ между всеми параш событий случайного ряда. •

Показано, что нормировочный коэффициент . двухточечной корреляционной функции может быть вычислен как матожидание СИ соответствующего пуассоновского ряда.

Применение метода СИ позволило обнаружить периодичность во вспшках "Быстрого' Барстера". Дана интерпретация I и II. мод вспышечной активности ББ как результат акрецни на полюса слабо намагниченной нейтронной звезды. Приведены аргументы в пользу такой интерпретации.• -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Нетрадиционная интерпретация диаграммы Корбета позволила найти возможность объяснения положения двойной Ве-системы 4U 0352+30 / X Per на диаграмме (если ее орбитальный период равен найденному 'в.

оптике ~580 дней) как члена подсистемы Ве-звезд, описывающейся прямой с наклоном 2.29;

2. Обнаружены быстрые (¿1.5' ч) скачкообразные вариации профиля импульса Х-пульсара в Свелико-) массивной системе Vela Х-1 / HD77S81,'происходящие синхронно во всем диапазоне (2-23 кэВ); -обнаруа^на корреляция между фазой глобального минимума профиля импульса Х-пульсара Vela Х-1 и величиной потока модулированной компоненты, т.е. меньшим потокам соответствует преимущественно одна фаза (Ч). 1), а большим потокам - другая (Ч). 6);

-предложено интерпретировать различие фаз (Ч). 5) двух устойчивых состояний как переходы от аккреции преимущественно на один полюс НЭ к аккреции преимущественно на другой полюс при изменении темпа аккреции;

3. Обнаружено, что постоянное ускоренна вращения Х-пульсара в маломассивной системе 4U 1626-67 / KZ ТгА прекратилось, сменившись этапом замедления;

-предложен и реализован новый модифицированный метод доплеровских лучевых скоростей для определения орбитальных .параметров маломассивных систем;

. -впервые в Х-диапазонэ г определены орбитальные параметры маломассивной системы (4U 1626-57 / KZ ТгА).

4. Введено понятие кросс-спектра интервалов между всеми парами событий из двух случайных последовательностей; " . -доказана теорема о тождественности оценки кросс-спектра интервалов и соответствующей кросс-ковариационной функции, т.е. .

-дано третье определение ковариационной функции, как распределение 'интервалов между всеми парами событий случайного потока; -уточнено определение дискретной корреляционной функции;, -найдена связь двухточечной корреляционной функции со спектром

■ V - " >

интервалов (СЮ между всеми парами событий случайного ряда;

-показано, что нормировочный коэффициент двухточечной корреляционной функции может быть вычислен как матожидание СИ соответствующего пуассоновского ряда.

Применение метода СИ позволило обнаружить периодичность во вспышках "Быстрого Барстера" МХВ 1730-335. .

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лозников В.М.

Метод -спектра интервалов. /У

Препринт ИКИ АН СССР. 1991, Пр-1726. С. 1-8.

2. Лозников В.М. .

Кросс-спектр интервалов. //

Препринт ИКИ РАН. 1392. Пр-1816. С. ■ 1-6.

3. Бабалян Г. Г., Лозников В.М. , Павлинский М. Н. , Сюняев P.A.,

Филипов Л.

Наблюдения рентгеновского пульсара Х-Рег (4U 0352+30)■ орбитальной обсерваторией "ГРАНАТ". // Письма в АЖ. 1992. Т. 18. №?4. С. 303-314.

i

4. Лозников В,Н., Коноркина Е.Е. , Мелиоранский A.C.

Наблюдения рентгеновского пульсара Vela Х-1 инструментом

"Пульсар Х-2" на "ГАММА"-модулв. //

Письма в At. 1992. Т. 18. . NÍ7. С. 579-582.

5. Лозников Б. М., Коноркина Е.Е., ИелиоранскиЯ А. С.

Анализ скачкообразных вариаций профиля импульса рентгеновского пульсара Vela Х-1. //

Письма в АЖ.' 1992. Т. 18. М?7: С. 583-587.

6. Лозников В. М, , Бабалян Г.- Г, , Грвбенеа С. А., Сюняев Р. А. ,

Наблюдения маломассивной рентгеновской системы 4U 1826-67 ✓ KZ ТгА астрофизической обсерваторией "ГРАНАТ". // Письма в АЖ. 1993. Т. 19. №10'. С. 903-911.

7. Лоэников В. М., Бабалян Г. Г.

Определение орбитальных параметров маломассивной рентгеновской

системы 411 1626-67/12 ТгА. // -

Письма в АЖ. 1993. Г. 19. Н? 9. С. 798-806.

Ротапринт ИКИ РАН 033(02)2 Москва, 117810, Профсоюзная 84/32

Подписано к печати 28.01.94

Заказ Формат 70x108^32 Тира* 100 >0,5 уч. -изд. л.

<> - ■