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

РГб од

- •'} АЛР 191

i/

РиССЙЯСХСП АК^ЯЕлЪАУК

г::ад1!>.сго М^хгилози ч

!>г С у\

■■ 1Д: ^ '

кыолы ьркгнного анализа ррктгеновск:^: жючя-ксб

по £аннкч оес£?2лхо?1-г-1 "гранат" и "гчмма" -юшя

¡паииа^нс^л» 01. 03. СЕ - г.стрсф;з:г-сг., рэдйсгютрочс'яи::

ди Н". соискание у.с-ис/ стеши;;*

кагикдата З'Кзикс-МЕгематуг^ео;-;;'!!: :та> к

г

Москва

Работа выполнена в Институте Российской Академии Наук.

Космических Исследований

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 Институт имени П. К. Штернберга

Зашита диссертации состоится "__" _1934 г. в _ часов на

заседании специализированного совета К 002.94.01 Института Космических Исследований РАН.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Космических Исследований РАН

Автореферат разослан " " 1994 года.

Ученый секретарь Специализированного совета,, с-/"" —

кандидат физико-математических наук Титов Д. Б.

Мёлиоранский Аркадий Сергеевич

Курт

Владимир Гдалевич Гальпер

Аркадий Моисеевич

Общая характеристика работы В работе представлены результаты последних трех лет временного анализа трех рентгеновских пульсаров (принадлежащих разным классам) из ряда пульсаров, наблюдавшихся астрофизическими обсерваториями "ГРАНАТ" и "ГАММА", а также некоторые приложения метода спектра интервалов, основанного на новом Стретьем) определении ковариационной функции.

Актуальность темы и цель работы. Сведения о двойных рентгеновских системах представляют собой данные фундаментального характера, которые входят составной частью в современную астрономию, взаимосвязаны с другими ее разделами. Непрерывное пополнение и уточнение этих данных было и остается важнейшей задачей.

Несмотря на то, что рентгеновские источники в двойных системах наблюдаются уже более 20 лет и достигнуты значительные успехи в понимании природы их излучения и механизмов их образования, почти каждое новое наблюдение приносит неожиданную информацию, а иногда и сюрпризы в поведении рентгеновских источников, изучение которых позволяет получать новые знания.

В связи с этим важнейшими элементами исследования являются анализ новых данных, усовершенствование известных и разработка новых методов временного анализа.

Научная новизна и практическое значение работы 1) Нетрадиционная интерпретация диаграммы Корбета позволила найти возможность объяснения положения двойной Ве-системы 4U 0352+30 / X Per на диаграмме Сесли ее орбитальный период равен найденному в оптике ^580 дней) как члена подсистемы Ве-звезд, описывающейся прямой с наклоном 2.29;

2) Обнаружены быстрые С<1.5 ч) скачкообразные." вариации профиля импульса Х-пульсара в (велико-) массивной системе Vela Х-1 / HD77581, происходящие синхронно во всем диапазоне С 2-25 кзВ); -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 СЧ).1), а большим потокам - другая 00.6);

-предложено интерпретировать различие фаз 00. 5) двух устойчивых состояний как переходы от аккреции преимущественно на один полюс НЗ к аккреции преимущественно на другой полос при изменении темпа аккреции;

3) Обнаружено, что постоянное ускорение 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-Диапазоне определены орбитальные параметры маломассивной системы 4U 1626-67 / KZ ТгА:

проекция большой полуоси, эксцентриситет, долгота пери астра, орбитальная эпоха.

Это позволило найти значение функции масс, оценить массу оптического Компонента, наклонение орбиты.

4) Введено понятие кросс-спектра интервалов между всеми параш событий из двух случайных последовательностей;

-доказана творена о тождественности оценки кросс-спектра интервалов и соответствующей кросс-ковариационной функции, т.е.

-дано третье определение ковариационной функции как распределение штервалов между всеми параш событий случайного потока; -уточнено определение дискретной корреляционной функции; -найдена связь двухточечной корреляционной функции со спектром •штервалов ССИЗ между всеми парами событий случайного ряда, -показано, что нормировочный коэффициент двухточечной корреляционной функции может быть вычислен как матожидание СИ соответствующего т/ассоновского ряда;

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

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, включает 22 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 250 наименований. Объем ее составляет 100 страниц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Временной анализ массивной двойной Ве-системы 4U 0352+30 / X Per.

2. Временной анализ массивной двойной Vela Х-1 C4U 0352+30)/HD77581.

3. Временной анализ маломассивной рентгеновской двойной системы 4U1626-67 / X Per.

4. Определение орбитальных параметров рентгеновского пульсара 4U1625-67.

5. Приложения метода Спектра Интервалов (или третьего определения корреляционной функции).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано краткое описание основных структур вещества и поля, ответственных за Х-излучение и его временные вариации в 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 модели источников и структур, ответственных за них: -транзиенты; -барстеры;

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

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 НМХЕ Х-систем в соответствии с теорией быстрого сферического ветра (для сверхгигантов прямая с наклоном 4/7) и медленного дископодобногс ветра (для Ве-систем прямая с наклоном 2 или 2.29).

Выявлены (посредством диаграммы Корбета) два класса двойньи R-пульсаров (околосекундных - с наклоном 2, и миллисекундных - с наклоном ~1/4) и, возможно, третий класс (секундных - горизонтальна* прямая).

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

Рассмотрена диаграмма Байкала (зависимость log До> от log At, 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 движения в двойной системе.

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

Кратко 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 периодичностей.

Описаны алгоритмы наиболее популярных методов поиска периодичностей: спектра мощности Скаргле, спектра мощности Рэлея, Zz-теста, -метода и др.

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

обсерватории "ГРАНАТ" в диапазоне 3+30 кэВ.

Определен период пульсара С 835.46±0.12 с 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 периода в

зависимости от возможной модели двойной системы и характера аккреции.

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

Глава 2 посвящена временному анализу результатов наблюдений рентгеновского пульсара Vela Х-1 инструментом "Пульсар Х-2", установленным на "ГАММА-модуле", в диапазоне 2+25 кэВ.

Сделана оценка интегральной светимости пульсирующей составляющей в диапазоне 2+25 кэВ в предположении степенного спектра с индексом а=1.2. Светимость имела среднюю величину Lx=0.64-103e эрг/с, изменяясь в пределах от 0.35-10зв эрг/с до 1.9-10" зрг/с.

Определен период пульсара С 283.24(87+31) с ) для совокупности двенадцати сеансов наблюдений С22. IV + 25.IV.1991 г. ) с использованием доплеровских поправок, связанных с движением источника в двойной системе по модели III орбиты Дитера и др. (1987).

Построены средние профили импульса в четырех энергетических диапазонах (2-4, 4-8, 8-15, 15-25 кэВ) в 50 фазовых бинах.

Отмечено, что с увеличением энергии средний профиль импульса изменяется от многопиковой структуры к почти двухпиковой, при этом фаза глобального минимума сохраняется, но в четвертом диапазоне появляется еще один глобальный минимум.

Обнаружены быстрые (<1.5 ч) скачкообразные вариации профиля импульса Х-пульсара Vela Х-1, происходящие синхронно во всем Х-диапазоне (2-25 кэВ). При этом появляются новые максимумы и подавляются старые в профиле импульса.

Обнаружена корреляция между фазой глобального минимума профиля

импульса и величиной потока модулированной компоненты. Меньшим потокам соответствует преимущественно одна фаза глобального минимума 00.1), а большим - другая 00.6).

Предложено интерпретировать различие фаз СЧ).5) двух устойчивых состояний как переходы от аккреции преимущественно на один полюс НЗ к акреции преимущественно на другой полюс 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 посвящена временному анализу результатов наблюдений рентгеновского пульсара 41Л 626-67 телескопом АРТ-П обсерватории "Гранат" в диапазоне 4-30 кэВ и определению орбитальных элементов пульсара новым модифицированным методом лучевых скоростей.

Обнаружено, что ускорение вращения пульсара СР/Р ~ -2-10"4 год"1), наблюдавшееся с момента его открытия в 1977г. инвертировалось, сменившись периодом замедления СР/Р * +2.5'10"4 год"1).

При этом светимость источника в диапазоне 4-20 кэВ уменьшилась примерно в два раза (I, Ы-Ю" (О/Юкпк)2 эрг-с"1).

Форма импульса стала трехпиковой в диапазоне энергий 4-10 кэВ, почти синусоидальной в диапазоне энергий 10-23 кэВ и сложной в диапазоне 28-40 кэВ.

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. Суть его в том, что строится кривая лучевых скоростей Сили, что то же самое, зависимость величины периода вращения пульсара от фазы пробного орбитального периода), причем период вращения пульсара для каждой фазы определяется с 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.

Впервые в Х-диапазоне определены орбитальные параметры маломассивной системы (411 1626-67 / ТгА): (ах/с)-51п(х) = (7+3)-10~4 св. с - проекция большой полуоси, е = (0.8+°'^) - эксцентриситет, со = 319°±30° - долгота периастра, Тп/г = 2448516.89(6+1) ВЛБ орбитальная эпоха ( Тя/з = Та -(со-л/2)-РогЬ/2л , Тщ - момент прохождения периастра ) , Это позволило найти значение функции масс КЮ = 1.074-Ю"3-(а^пШ / 1 св. с)3-(РогЬ/1 сут. Г2^ = (4.43+'"49)-Ю"10 К. ,

з. во и

оценить массу оптического компонента М = М а /а = (2.72±г-вв)-10-3 Мо (если М =1.4 М^,

С X X С 1.30 X

наклонение орбиты 1 = 18.°4±г°'^

(здесь а = 1.14+0.40 св. с и а 51п(1) = 0.36+0.10 св.с - величины,

с

найденные Миддледичем и др. (1981) ).

Показано, что существуют аналогичные очень маломассивные истемы среди двойных радиопульсаров CPSR 1957+20 и PSR 0021-72А).

В Главе 4 введено понятие кросс-спектра интервалов между всеми [арами событий из двух случайных последовательностей.

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

дано третье определение ковариационной функции как эаспределение интервалов между всеми параш событий случайного ютока.

Следовательно, СИ может быть использован для вычисления спектра мощности, причем для получения СИ (при п<1) требуется в (1/п2) раз меньше операций, чем для получения АКФ, если АКФ вычисляется без использования БПФ.

Уточнено определение ДКФ (дискретной корреляционной функции}.

Найдена связь двухточечной корреляционной функции со спектром интервалов С 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". Дана интерпретация I и II мод вспшечной активности ББ как результат акреции 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 С если ее орбитальный период равен найденному в

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

2. Обнаружены быстрые С<1.5 ч) скачкообразные вариации профиля импульса Х-пульсара в (велико-) массивной системе Vela Х-1 / HD77581, происходящие синхронно во всем диапазоне (2-25 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 (43.6);

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

3. Обнаружено, что постоянное ускорение 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-диапазоне определены орбитальные параметры маломассивной системы (4U 1625-67 / 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

интервалов (СИ) между всеми параш событий случайного ряда;

и

-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. //

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

2. Лозников В.М.

Кросс-спектр интервалов. //

Препринт ИКИ РАН. 1992. Пр-1816. С. 1-6.

3. Бабалян Г. Г. , Лозников В. М. , Павлинский М. Н. , Сюняев Р. А. ,

Филипов Л.

Наблюдения рентгеновского пульсара Х-Рег C4U 0352+30) орбитальной обсерваторией "ГРАНАТ". // Письма в АЖ. 1992. Т. 18. N?4. С. 303-314.

4. Лозников В. М. , Коноркина Е. Е. , Мелиоранский А. С.

Наблюдения рентгеновского пульсара Vela Х-1 инструментом "Пульсар Х-2" на "ГАММА"-модуле. // Письма в АЖ. 1992. Т. 18. N?7. С. 579-582.

5. Лозников В. М. , Коноркина Е. Е. , Мелиоранский А. С.

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

Письма в АЖ. 1992. Т. 18. N?7. С. 583-587.

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

Наблюдения маломассивной рентгеновской системы 4U 1626-67 / KZ ТгА астрофизической обсерваторией "ГРАНАТ". // Письма в АЖ. 1993. Т. 19. № 10. С. 903-911.

7. Лозников В.М., Бабалян Г. Г.

Определение орбитальных параметров маломассивной рентгеновской

системы 41! 1626-67/К2 ТгА. //

Письма в АЖ. 1993. Т. 19. № 9. С. 798-806.

Ротапринт ИКИ РАН 055С0232 Москва, 117810, Профсоюзная 84/32

Подписано к печати 28.01.94

Заказ 9553 Формат 70x108/32 Тираж 100

0,5 уч. -изд. л.