Наблюдательные проявления аккрецирующих черных дыр и нейтронных звезд в рентгеновском диапазоне ( по данным обсерваторий Мир-Квант, Гранат и Аска) тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГБ ОД

? ФЕВ 1996

На правах рукописи

Гильфанов Марат Равильевич

НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ АККРЕЦИРУЮЩИХ ЧЕРНЫХ ДЫР И НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД В РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ (ПО ДАННЫМ ОБСЕРВАТОРИЙ МИР-КВАНТ, ГРАНАТ И АСКА).

01.03.02 Астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН Д.А.Варшалович

д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН В.В.Железняков

д.ф.-м.н., профессор. А.М.Черепащук

Ведущая организация: Главная Астрономическая Обсерватория РАН, Пулково

Защита состоится 3, 1996 г. в 10 часов на заседании диссертгци-

онного совета Д 002.94.01 в Институте космических исследований РАН, Москва 117810, ул. Профсоюзная, д. 84/32

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований РАН

Автореферат разослан % О / 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета л

к.т.н. В.Е.Нестеров

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Большинство ярких компактных источников рентгеновского излучения в нашей Галактике являются двойными системами, состоящими из нормальной звезды и компактного объекта. Рентгеновское излучение от этих объектов обязано своим происхождением гравитационной энергии, выделяющейся при аккреции вещества, истекающего с поверхности нормальной звезды, на компактный объект. В настоящее время известно всего несколько надежных наблюдательных критериев, позволяющих выяснить природу компактного объекта в двойной системе - отличить нейтронную звезду от черной дыры. Критерием того, что компактный объект в двойной системе является нейтронной звездой могут служить детектирование рентгеновских всплесков первого типа либо пульсации рентгеновского потока. Единственным надежным критерием наличия черной дыры на настоящий момент является динамическое определение массы компактного объекта через измерение функции масс двойной системы. Общее число подтвержденных нейтронных звезд составляет несколько десятков, в то же время известно всего несколько объектов, в которых компактный объект, несомненно, является черной дырой. Среди них Лебедь Х-1 и ряд рентгенов-;ких Новых - А0620-00, Новые в созвездиях Лебедя, Мухи, Лисички и, возможно, Лерсея.

Наблюдения в рентгеновском и гамма- диапазоне, выполненные в конце 80-х начале 90-х гг. орбитальными обсерваториями ГИНГА, МИР-КВАНТ, РОСАТ, ГРАНАТ, ГРО и АСКА, дали огромное количество новой информации о спектральных свойствах галактических рентгеновских двойных. Возросшее качество экспериментальных данных было обусловлено несколькими причинами. Значительно улучшилось угловое разрешение в жестком рентгеновском диапазоне (точность локализации источников телескопом СИГМА обсерватории ГРАНАТ достигает 1 угл.мин., разрешающая способность - 5-10 угл.мин.), что дало возможность исследовать индивидуальные источники в наиболее "густозаселенных" областях неба. Одновременная работа сразу нескольких телескопов и обсерваторий, покрывающих различные спектральные диапазоны, позволило исследовать спектры источников в широком диапазоне энергий от десятков эВ то 1 МэВ. Непрерывная работа приборов, обозревающих все небо (АБМ/СМОА, \УАТСН/ОИАЫАТ, ВАТБЕ/йЮ), обеспечивавших почти полное покрытие небесной сферы в течение почти 100% времени,

привела к открытию многочисленных новых транзиентных источников. В частности, яркие рентгеновские Новые детектировались в последние годы с частотой ~ 1 Новая в год.

Природа рентгеновских Новых связана с эпизодической аккрецией на черные дыры или нейтронные звезды в двойной системе с маломассивной видимой звездой. Важность исследования этого класса объектов для понимания физических механизмов генерации рентгеновского (жесткого и мягкого) излучения от аккрецирующих черных дыр обусловлена рядом причин. В течение нескольких месяцев после начала вспышки рентгеновские Новые являются очень яркими (как правило, ярчайшими на рентгеновском небе) объектами, что позволяет подробно исследовать многие детали их поведения. За период с момента основной вспышки и до момента исчезновения источника (падения потока ниже уровня чувствительности современных рентгеновских детекторов) светимость и, следовательно, темп аккреции изменяются на несколько порядков, предоставляя тем самым уникальную возможность исследовать поведение источника при различных режимах аккреции.

Новым элементом в нашем представлении о свойствах аккрецирующих черных дыр стало открытие обсерваториями ГИНГА, ГРАНАТ и ГРО квазипериодических осцилляции рентгеновского потока, в частности от Лебедя Х-1. Очевидно, что "клас сическая" теория возникновения С}РО, весьма успешно объяснившая квазипериодические осцилляции, открытые обсерваторией ЕХОБАТ в маломассивных двойных с нейтронными звездами, в данном случае не применима.

После первых спектроскопических наблюдений жесткого рентгеновского излучения от кандидатов в черные дыры стало ясно, что наблюдаемые спектры вполне могут быть объяснены в рамках комптонизации низкочастотного излучения на горячих электронах. Впоследствии, в 80-х - начале 90-х годов, теория комптонизации успешно применялась для описания отдельных спектров индивидуальных источников. Тем не менее, комптонизации, как общей концепции, недостаточно для объяснения всей совокупности наблюдаемых свойств рентгеновских источников. По-видимому, дальнейший прогресс в теории требует расширения наших представлений о наблюдательных проявлениях аккрецирующих черных дыр и нейтронных звезд в рентгеновском диапазоне.

Цель работы.

Исследование рентгеновских свойств компактных рентгеновских источников -аккрецирующих черных дыр и нейтронных звезд - в широком диапазоне энергий от

сотен эВ до 1 МэВ.

Научная новизна.

Впервые представлены результаты наблюдений компактных источников рентгеновского излучения телескопом СИГМА обсерватотории ГРАНАТ в жестком рентгеновском диапазоне в 1990-1994 гг.. Ряд новых результатов получен п результате совместного анализа данных одновременных наблюдений телескопов СИГМА и ТТМ и телескопов обсерватории АСКА. Предложен механизм, объясняющий возникновение квазипериодических осцилляции рентгеновского потока от кандидатов в черные дыры.

Научная и практическая ценность работы.

Диссертационная работа содержит систематическое исследование рентгеновских свойств компактных рентгеновских источников - двойных систем, в которых релятивистский объект является черный дырой или нейтронной звездой. Полученные результаты необходимо учитывать при построении моделей формирования рентгеновского излучения в компактных источниках.

Ряд результатов, полученных в диссертации, был использован при планировании наблюдений орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, МИР-КВАНТ, АСКА, ГРО и РОСАТ и наземных обсерваторий, работающих в оптическом и радио- диапазонах. Результаты точной локализации рентгеновских Новых в созвездиях Мухи, Персея V Змееносца позволили произвести оптическую идентификацию этих объектов. Ряд результатов, полученных в работе, послужил толчком для последующих наблюдений и новых открытий в оптическом, радио- и инфракрасном диапазонах. Так, например, результаты телескопа СИГМА инициировали интенсивные спектрометрические наблюдения в оптическом диапазоне рентгеновской Новой в созвездии Мухи, что привело к определению функции масс и независимой идентификации этого объекта как черной дыры. Вслед за открытием аннигиляционной линии в спектре источника 1Е1740.7-2942 последовали наблюдения этого источника на всех длинах волн, в результате чего в радиодиапазоне были открыты релятивистские джеты (впервые для источника в нашей Галактике), подобные наблюдаемым в ядрах активных галактик.

Результаты сравнительного анализа спектров нейтронных звезд и черных дыр открывают возможность для независимой от оптических наблюдений диагностики природы компактного объекта в двойных системах.

Апробация результатов.

Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах ИКИ РАН,

ГАИШ, Центра Космических Полетов им. Годдарда (Гринбелт, США, 1993), Центра Астрофизики Смитсонианского Института (Кембридж, США, 1994, 1995), на Генеральных Ассамблеях КОСПАР (1990, 1992, 1994), на международных конференциях: "23rd ESLAB Symposium", (Болонья, Италия, 1989), "Recent Advances in High Energy Astrophysics", (Тулуза, Франция, 1992), "The Multi-Wavelength Approach to Gamma-Ray Astronomy", (Ле-Диаблере, Швейцария, 1993), "Структура Галактик и Метагалактики" (Пущино, 1993), "Lives of the Neutron Stars" (Турция,

1993), "The Evolution of X-Ray Binaries" (Марилэнд, США, 1993), "Pairs, Gamma-Rays, Black Holes" (Конинки, Польша, 1993), "Некоторые проблемы современной астрофизики" (Пущино, 1994), "New Horizon of X-Ray Astronomy" (Токио, Япония,

1994), "Гамовский Семинар" (С-Петербург, 1994) "Roentgenstrahiung from the Universe", (Вурцбург, Германия, 1995) и др.

Структура и обьем диссертации.

Диссертация состоит из 10 глав. Она содержит 172 стр., 70 рис. Список литературы включает 182 наименования.

Содержание работы

Работа посвящена исследованию свойств рентгеновского излучения двойных систем, одним из компонентов которых является релятивистский объект (черная дыра или нейтронная звезда) на энергиях от мягкого рентгена (~ 300 эВ) до гамма-диапазона (~ 1 МэВ). В работе использованы данные наблюдений телескопа СИГМА обсерватории ГРАНАТ, телескопа ТТМ обсерватории МИР-КВАНТ и обсерватории АСКА.

Глава 1 - введение, кратко очерчен круг задач и современное состояние рентгеновской астрономии.

В Главе 2 дано краткое описание телескопов СИГМА и ТТМ, типичных циклограмм наблюдений и методов обработки данных.

Глава 3 посвящена экспериментальному (телескопы СИГМА и ТТМ) исследованию класса рентгеновских источников, называемых рентгеновскими Новыми. Природа этих объектов связана с эпизодической аккрецией на черные дыры или нейтронные звезды в двойной системе с маломассивной видимой звездой. Для ряда

рентгеновских Новых оптические наблюдения дали прямые динамические свидетельства присутствия черной дыры в двойной системе - было продемонстрировано, что функция масс этих объектов превышает « 3Л/0 - теоретический верхний предел массы нейтронной звезды.

Важность исследования этого класса объектов для понимания физических механизмов генерации рентгеновского (жесткого и мягкого) излучения от черных дыр обсуждается в разделе 3.1.

Три очень яркие рентгеновские Новые наблюдались и были детально исследованы телескопами обсерваторий ГРАНАТ и МИР-КВАНТ.

Спектр Новой 1991 г. в созвездии Мухи - СИБ! 124-684 (раздел 3.2), наблюдавшейся телескопами АРТ-П и СИГМА, в максимуме кривой блеска характеризовался наличием двух ярко выраженных компонент (рис. 1): мягкой - ниже 8 кэВ, вносившей основной вклад 90%) в рентгеновскую светимость источника, и жесткой, почти степенной компоненты, обнаруженной до энергий ка 200-300 кэВ. Интенсивность мягкой компоненты в этот период менялась плавно, с характерным временем экспоненциального спада ^ 30 дней, в то время как жесткая степенная компонента демонстрировала сильную переменность в шкале времен порядка нескольких часов и, в среднем, спадала значительно медленнее. Относительный вклад двух компонент в рентгеновскую светимость радикально менялся с изменением светимости источника - наблюдались различные спектральные состояния источника.

В отличие от Новой в созвездии Мухи, в спектрах рентгеновских Новых в созвездиях Персея (раздел 3.4) и Змееносца (раздел 3.5) отсутствовала сколь-либо заметная мягкая спектральная компонента (рис. 1) - их спектры были подобны спектру Лебедя Х-1 в низком состоянии. Рентгеновский поток спадал плавно (амплитуда относительных вариаций на масштабах часов ^ 3 - 4%). Наблюдались относительно слабые изменения формы спектра источника, скоррелированные с изменением рентгеновской светимости.

Транзиентный источник СРБ/КБ 1730-312 (раздел 3.3), открытый телескопами СИГМА (ГРАНАТ) и ТТМ (МИР-КВАНТ) в зоне Центра Галактики, во многом подобен по своим свойствам в рентгеновском диапазоне рентгеновской Новой в созвездии Мухи и другим объектам этого класса. Можно предположить, что вспышка рентгеновского излучения от 035/^51730-312, наблюдавшаяся СИГМой и ТТМ в сентябре 1994 г., имеет ту же природу, что и в случае ярких рентгеновских Новых. Единственным отличием СИБ/КЗ1730-312 от объектов, которые мы привыкли на-

1 <р

ю'

^ G PAN AT teom, IKJ

• NovaMus 1991 -Nova Per 1992 - NovaOph 1993

■ MIR-KVANT-TTM

GRANAT te»m, IKI

Days after outburst

Energy, keV

Рисунок 1. Широкополосные спектры и рентгеновские кривые блеска трех рентгеновских Новых, наблюдавшихся обсерваториями ГРАНАТ и МИР-КВАНТ в 1991-1993 гг.: в созвездии Мухи, Персея и Змееносца. Штриховой линией на правом рисунке схематично представлены результаты прибора ВАТБЕ обсерватории Гамма-Лучей.

зывать рентгеновскими Новыми, состоит в том, что он расположен на расстоянии в 3-5 раз дальше от нас и, в силу ограниченной чувствительности, доступной для наблюдений оказалась лишь самая "макушка" кривой блеска источника.

Эти объекты являются типичными представителями двух типов рентгеновских Новых, обсуждаемых в разделе 3.6 (рис. 1). В этом разделе сформулированы основные различия в рентгеновских свойствах двух типов рентгеновских Новых и обсуждаются возможные причины этих различий. Основной вывод этого раздела -рентгеновские Новые двух типов характеризуются разной величиной М/МЕц -отношения темпа аккреции к критическому (Эддингтоновскому) значению.

В Главе 4 исследуются свойства рентгеновского излучения от источника Лебедь Х-1 в интервале энергий от ~ 300 эВ (обсерватория АСКА) до ~ 1 МэВ (телескоп СИГМА). Как известно (раздел 4.1), этот объект является на сегодняшний день одним из наиболее надежных кандидатов в черные дыры. Нижний предел на массу компактного объекта, следующий из значения функции масс двойной системы, известной из оптических наблюдений, и факта отсутствия рентгеновских затмений, равен 9.5М<э

В разделе 4.2 проанализирована вся совокупность данных наблюдений Лебедя Х-1 в жестком рентгеновском диапазоне телескопом СИГМА с целью поиска воз

Cyi Х- 1 ■ ......... 1 .... 1 .... 1 ....

IE 1740 7-294 !

СИЛ »li/mi

s 10 la го LumlnoilLjr (40-200 keV). «10- Erg ■

♦ . *. * 1 -

1 Ф

-

• • 7,

0 05

rms* (0 CI - 0 I Hi)

Рисунок 2. Слева: зависимость жесткости спектра от светимости в диапазоне 40-200 кэВ для Лебедя Х-1 (верхний график) и 1Е1740.7-2942 (нижний график, из работы Кузнецова и др., 1996). Результат аппроксимации данных для Лебедя Х-1 константой с изломом показан на обоих графиках штриховой линией. Справа: Зависимость жесткости спектра от квадрата относительной амплитуды короткомасштабных апериодических флуктуации рентгеновского потока для источника Лебедь Х-1.

можных корреляции между основными характеристиками жесткого рентгеновского излучения (40—200 кэВ) — светимостью источника Lx, жесткостью спектра (которая характеризовалась температурой кТ тормозного спектра, наилучшим образом описывающего данные) и амплитудой (rms) короткомасштабных апериодических чариаций жесткого рентгеновского потока.

Обнаружено, что на диаграмме кТ - Lx существует два различных режима поведения источника (рис.2). При низкой светимости в жестком рентгеновском диапазоне - ниже уровня, примерно соответствующего светимости в состоянии 71, - жесткость спектра возрастает с увеличением светимости. Количественно это соответствует увеличению кТ от « 70 кэВ при Lx ~ 0.5Lri до и 150 кэВ при Lx ~ 1.2L7l. При светимости выше уровня « 1.2L7l жесткость спектра практически не зависит от светимости источника и соответствует тормозной температуре « 150 кэВ. Примечательно, что в точности такое же поведение было обнаружено в случае другого галактического кандидата в черные дыры 1Е1740.7-2942 (результат получен совместно с С.Кузнецовым).

Зависимость подобного типа наблюдается между жесткостью спектра и относительной амплитудой короткомасштабных вариаций рентгеновского потока (рис.2). Увеличение кТ, соответствующее возрастающей ветви на диаграмме кТ — Ьх, сопровождается увеличением rms от уровня, не превышающего несколько %, до и 10 — 15%. Дальнейшее увеличение rms не приводит к изменению жесткости

Рисунок 3. Спектры Лебедя Х-1 в диапазоне энергий от 0.3 кэВ до 500 кэВ, полученные по данным наблюдений обсерваторий АСКА и ГРАНАТ, соответствующие состояниям с низким и высоким потоком в жестком рентгеновском диапазоне. Отдельно для каждого спектра показан вклад излучения диска, определенный по данным АСКИ.

спектра и не коррелирует с вариациями светимости источника.

Обсерватория АСКА провела две серии наблюдений Лебедя Х-1 в 1993 г. и 1994 г. (раздел 4.3), которые, благодаря удачному стечению обстоятельств, пришлись на состояние источника с ~ "минимальным'Чвозрастающая ветвь диаграммы на рис. 2) и "стандартным" (плоская часть диаграммы на рис. 2) потоком в жестком рентгеновском диапазоне. Это позволило исследовать характер изменения спектра на энергиях от « 300 эВ ~ 1 МэВ и предложить объяснение наблюдаемому поведению источника. Изменение формы спектра источника при изменении его светимости в жестком рентгеновском диапазоне, обнаруженные СИГМой (рис. 2), распространяются и на спектр источника в стандартном рентгене - заметно меняется наклон комптонизированного спектра в интервале энергий от ~ 1 кэВ до ~ 50 — 100 кэВ (рис.3). Несомненно, что это является следствием изменения физических параметров в зоне формирования комптонизированного излучения - температуры горячих электронов и/или оптической толщи.

Важно отметить, что вместе с этим изменяются также параметры в области, где формируется мягкая спектральная компонента (оптически непрозрачния часть аккреционного диска ?). Из данных обсерватории АСКА с достаточной степенью достоверности следует, что температура мягкой спектральной компоненты и ее светимость растут с понижением светимости в жестком рентгеновском диапазоне и увели-

чением наклона комптонизированного спектра (рис.3). По-видимому, наблюдаемое изменение спектральных свойств источника вызвано увеличением темпа аккреции, приводящим к увеличению температуры оптически непрозрачной части аккреционного диска, что в свою очередь приводит к изменению физических параметров в зоне формирования жесткой спектральной компоненты - например, из-за увеличения потока мягких фотонов увеличиваются комптоновские потери горячих электронов, что приводит к уменьшению их температуры и, следовательно, к увеличению наклона комптонизированного спектра.

В Главе 5 рассматривается связь между присутствием мягкой компоненты в спектре аккрецирующей черной дыры и характером переменности жесткого рентгеновского потока на масштабах часов.

Раздел 5.1 посвящен поиску мягкой спектральной компоненты в спектрах аккрецирующих черных дыр в жестком (низком) состоянии на основе данных обсерватории АСКА. Показано, что для согласования результатов измерения межзвездного покраснения в направлении на Лебедь Х-1 и рентгеновских данных требуется существование мягкой спектральной компоненты в спектре источника в низком (жестком) состоянии. Мягкая спектральная компонента соответствует чернотельному излучению с температурой ~ 130 — 150 эВ и светимостью ~ 10 — 30% от общей рентгеновской светимости источника. Обсуждается возможность присутствия аналогичной мягкой компоненты в спектре источника 1Е1740.7-2942. В то же время не обнаружено сравнимых по яркости мягких компонент в спектрах рентгеновских Новых в созвездиях Персея и Змееносца. Для рентгеновской Новой в созвездии Змееносца получены ограничения на вклад мягкой спектральной компоненты в светимость в рамках модели чернотельного диска.

В разделе 5.2 предложено объяснение различий в амплитуде переменности жесткого рентгеновского потока от аккрецирующих черных дыр на масштабах часов.

В Главе 6 обсуждаются свойства жесткой спектральной компоненты. Сравниваются широкополосные спектры разных источников - кандидатов в черные дыры, обсуждается зависимость общей формы жесткой спектральной компоненты от светимости источника (раздел 6.1). Как известно, наблюдаются три спектральных состояния кандидатов в черные дыры, различающихся соотношением вкладов мягкой и жесткой спектральных компонент: сверхвысокое (в спектре присутствуют обе компоненты), высокое (существенно преобладает мягкая компонента) и низкое

Frequency, Hz

Рисунок 4. Спектр мощности Лебедя X-I, полученный по данным СИГМЫ, и предсказанный в рамках модели вспышек с взаимодействием. Нормировка модельного спектра произвольна.

(преобладает жесткая компонента). Показано, что эти состояния соответствуют разным значениям величины L/LBdd. На основе данных телескопа СИГМА показано (раздел 6.2). что существует хорошо заметное различие в спектральных свойствах жесткой компоненты, наблюдаемой в сверхвысоком и низком спектральных состо -ниях. Это может свидетельствовать о различном происхождении жесткого излучения в этих состояниях.

Глава 7 посвящена исследованию квазипериодических осцилляций (QPO) рентгеновского излучения от кандидатов в черные дыры.

В разделе 7.1 кратко суммированы основные экспериментальные результаты, полученные телескопом СИГМА: открытие QPO в Лебеде Х-1 и рентгеновской Новой в созвездии Персея, обнаружение необычного поведения спектра мощности рентгеновской Новой в созвездии Персея на частотах ^ 0.01 Гц (результаты получены совместно с А.Вихлининым).

В разделе 7.2 предложен механизм возникновения квазипериодических осцилляций рентгеновского излучения от кандидатов в черные дыры. Показано, что такие осцилляции естественным образом возникают в модели вспышек (shot noise model), если предположить наличие слабого взаимодействия между индивидуальными вспышками. Существования взаимодействия между вспышками можно ожидать во многих физических моделях формирования жесткой спектральной компоненты. Действительно, независимо от конкретной физической природы неустойчи-

10'

,-2

1Е1740.7—2942 1Е1740.7-2942

10 100 1000 10 Епегву, кеУ ]

I 100 1000

Епеггу, кеУ

Рисунок 5. Спектры источника 1Е1740.7-2942, полученные телескопами АРТ-П и СИГМА: усредненный спектр 1990 г. (за исключением наблюдения 13-14 октября) - слева и спектр, полученный 13-14 октября 1990 г., - справа.

востей во внутренних областях аккреционного диска, приводящих к возникновению • наблюдаемой короткомасштабной апериодической переменности жесткого рентгеновского излучения, эти неустойчивости развиваются в условиях существенно более медленно изменяющегося внешнего притока энергии, определяемого величиной темпа аккреции М. Этот факт имеет многочисленные наблюдательные подтверждения, а также и теоретическое обоснование - внешние области диска, несомненно, устойчивы по отношению к короткопериодическим возмущениям. В этих условиях неизбежно взаимодействие между индивидуальными вспышками - появление сильной вспышки влияет на амплитуду и/или вероятность появления следующей вспышки. Предсказаны формы спектра мощности при наличии такого взаимодействия между вспышками и показано, что таким образом можно объяснить (ЗРО, обнаруженные в спектрах мощности Лебедя Х-1 и рентгеновской Новой 1992 г. в созвездии Персея (рис.4). Попутно получена точная формула для искажения спектров мощности из-за наличия "мертвого времени" у детектора рентгеновского излучения.

Глава 8 посвящена открытию транзиентных эмиссионных линий на энергиях ~ 0.4-0.5 МэВ в спектрах двух галактических кандидатов в черные дыры - 1Е1740.7-2942 и рентгеновской Новой 1991 г. в созвездии Мухи. Происхождение эмиссионных линий связано, по всей видимости, с аннигиляцией электрон-позитронных пар в компактном источнике, хотя не исключены и альтернативные интерпретации.

-7Р,

■ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .....Ь' 1

20-21 Лап. 1091

! 430-510 кеУ

о ©

■ о ^ |СК31124-684 !

€

о

-67

-68

-69

66 168 170 172 174 176 рг!дЬ( АэсепБюп (Оед.,1950)

Рисунок 6. Спектр рентгеновской Новой 1991 г. в созвездии Мухи, полученный 20-21 января 1991 г. (слева), и изображение участка неба, содержащего рентгеновскую Новую в созвездии Мухи в диапазоне 430-510 кэВ (справа).

В разделе 8.1 представлены результаты для кандидата в черные дыры 1Е1740.7-2942, известного как ярчайший источник жесткого рентгеновского излучения вблизи динамического центра нашей Галактики. Во время наблюдений области Галактич •-ского Центра (ГЦ) обсерваторией ГРАНАТ в 1990 г. были обнаружены два совершенно различных спектральных состояния этого источника. Почти во всех наблюдениях 1990 года источник имел спектр, подобный спектру известного кандидата в черные дыры Лебедь Х-1. Во время наблюдения 13-14 октября 1990 г. было зафиксировано иное, жесткое, спектральное состояние этого источника, характеризовавшееся ярко выраженной спектральной особенностью в районе ~ 400 кэВ (рис. 5).

В разделе 8.2 приведены результаты для рентгеновской Новой 1991 г. в созвездии Мухи. Рентгеновская Новая 1991 г. в созвездии Мухи наиболее интенсивно наблюдалась телескопами обсерватории ГРАНАТ в течение первого месяца после открытия, в январе - феврале 1991 г. Во всех наблюдениях, выполненных в этот период, СИГМА детектировала жесткое рентгеновское излучение от источника до энергий кг 300 кэВ. 20-21 января 1991 г. телескоп СИГМА обнаружил в спектре источника сравнительно узкую эмиссионную линию вблизи и 480 кэВ (рис.6) с потоком и 6.3-10~3 фот/с/см2. Аннигиляционной линии сопутствовала спектральная особенность вблизи и 200 кэВ.

<ма «г «аэо «из здт «го гак» (516 «»ф»)

Л

I

'11

--и-

Ш

| 0 к -го

-Н

Пих. йеч

Рисунок 7. Слева: Результаты статистического анализа изображений в диапазоне 430-510 кэВ, полученных СИГМой в 1990-1994 гг. Статистическое распределение потока в случайно выбранных положениях (50 положений на изображение). Сплошная линия - Гауссово распределение со средним нуль и дисперсией 1. Справа: Диапазон 300-500 кэВ, распределение экстремальных значений потока. Сплошная линия — результат моделирования методом Монте-Карло. Крайняя точка справа, отклоняющаяся от результата моделирования, соответствует обнаружению линии в спектре 1Е1740.7-2942 13-14 октября 1990 г. Поток на обоих рисунках выражен в единицах ошибки, определенной стандартной процедурой обработки данных СИГМы.

М-С пмЗО г!5 8347 м* (50000 т) <Шлт м*ХМП5Я*Т уго 1ШЯ, <514 и

В разделе 8.3 обсуждается статистическая достоверность обнаруженных спектральных деталей.

Во-первых, проанализировано качество изображений, получаемых телескопом СИГМА в мягком гамма-диапазоне. Важным преимуществом рентгеновских телескопов, способных, подобно СИГМЕ, наряду с получением спектров строить изображения, является возможность непосредственно убедиться в правильности ошибок, приписываемых измерениям потока. Подробный анализ большого числа реальных изображений, полученных телескопом СИГМА в 1990-1994 гг., показал, что статистическое распределение потока, получаемого в любой заданной точке изображения (не содержащей источник), достаточно хорошо описывается гауссовым законом со средним нуль и дисперсией, равной квадрату ошибки на поток, полученной стандартной процедурой обработки данных СИГМЫ (рис.7).

Результаты этого исследования позволяют использовать Гауссову статистику для оценки статистической достоверности обнаружения спектральных деталей, обсуждаемых в Главе 8. Оценивалась достоверность двух утверждений: факта детектирования потока в заданном интервале энергий и того, что поток, детектируемый в за-

CRAN AT/SIGMA

CRANAT team; 1K1 CRAN AT/SIC M A

OMIT1I-M

Outu-it otuwd-M

■и^МаИ)

CRANAT team. 1K1

c*Î!»i

cai*n-M

lllî«1-№t

"S"'

IUITCO-9T

1.5 2 2.5 3 3.5 4 0. 50 100 150

40-150 keV photon index BremssLrahlung temperature (40-300 keV)

Рисунок 8. Жесткость спектров галактических рентгеновских двойных, наблюдавшихся телескопом СИГМА в 1990-1994 гт., выраженная через наклон спектра в диапазоне 40-150 кэВ (слева) и температуру тормозного спектра, наилучшим образом описывающего данные в диапазоне 40—300 кэВ (справа). Двойные системы с известной природой компактного объекта отмечены звездочками (нейтронные звезды) и закрашенными кружками (черные дыры).

данном интервале энергий, соответствует появлению эмиссионной линии в спектре. При этом учитывались дополнительные степени свободы, определяемые количеством наблюдений источника и произвольным положением линии (методом Монте-Карло). Такая оценка произведена для обоих случаев детектирования линий в спектрах. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой достоверности обнаружения линий: вероятность того, что наблюдавшиеся линии являются результатом статистической флуктуации, ~ 10~3.

Глава 9 посвящена сравнению рентгеновских спектров двойных систем с разной природой релятивистского объекта (черная дыра или нейтронная звезда). Для количественной характеристики формы спектра была использована аппроксимация данных спектром тормозного излучения и степенным законом. Хотя модель тормозного излучения оптически тонкой плазмы по всей вероятности не имеет отношения к происхождению жесткого рентгеновского излучения в компактных источниках, она удивительно хорошо описывает спектры, наблюдаемые в жестком рентгеновском диапазоне от ~ 40 кэВ до ~ 200 — 300 кэВ (типичная точность аппроксимации — лучше ~ 5 — 10%). Температура тормозного излучения или наклон степенного спектра являются удобными количественными характеристиками жесткости наблюдаемого спектра. Хотя общее количество источников не позволяет серьезно говорить

о построении функции распределения источников по жесткости наблюдаемого излучения, тем не менее существует хорошо заметное разделение двойных систем с черными дырами и нейтронными звездами по жесткости спектра (раздел 9.1) (рис.8). Нейтронные звезды группируются вблизи значений фотонного индекса а га 2.8 — 3.5 (температура тормозного спектра кТ и 30 - 60 кэВ), в то время как кандидаты в черные дыры в низком спектральном состоянии имеют типичные значения наклона спектра а кз 2 (кТ кз 80 - 150 кэВ). Сделан вывод о том, что жесткость наблюдаемого спектра может быть использована для диагностики природы компактного объекта (раздел 9.2). Обсуждается жесткое рентгеновское излучение от рентгеновских барстеров (раздел 9.3).

В Главе 10 обсуждается происхождение жесткой спектральной компоненты, наблюдаемой в спектрах аккрецирующих черных дыр и, в некоторых случаях, нейтронных звезд (в частности, рентгеновских барстеров).

В разделе 10.1 рассматривается двухфазная модель комптонизации с обратной связью. Предложенный подход позволяет, не конкретизируя геометрию и физический механизм передачи энергии горячим электронам, сформулировать условия, необходимые для формирования жесткой спектральной компоненты, и объяснить ряд наблюдаемых свойств жесткого рентгеновского излучения. В его основе лежит условное разделение "горячей" фазы (в которой формируется комптонизированный спектр) и "холодной" фазы (оптически непрозрачния область, поставляющая мягкие фотоны в зону комптонизации), в каждой из которых выделяется определенная доля гравитационной энергии аккрецирующего вещества. Показано, что для формирования жесткого спектра, с наклоном 2, необходимо выполнение двух условий. Во-первых, <С 1, где \УС, \Уц - энерговыделение в холодной и горячей

фазах, /с-+я - геометрический фактор, определяющий долю мягких фотонов, излучившихся в холодной фазе и попавших в горячую фазу. Во-вторых, малость коэффициента обратной связи — геометрического фактора, равного доли светимости комптонизированного излучения, которая была переизлучена холодной оптически плотной фазой и возвращена в область комптонизации в виде мягких фотонов. При выполнении этих условий наклон комптонизационного спектра слабо зависит от абсолютных величин энерговыделения в горячей и холодной фазах (т.е. от светимости источника). Если же коэффициент обратной связи велик, ~ 0.5 — 1, прогрев холодной оптически плотной фазы комптонизированным излучением приведет к увеличению ее температуры, притока мягких фотонов в область комптонизации, и, еле-

довательно, темпа комптоновского охлаждения горячих электронов, понижению их температуры и увеличению наклона комптонизационного спектра.

В разделе 10.2 обобщена модель вспышек применительно к формированию жесткой спектральной компоненты. Предполагая неоднородную в пространстве и во времени передачу энергии в зону комптонизации (горячую фазу - например, корону аккреционного диска), можно удовлетворить условиям формирования жесткого комптонизированного спектра, сформулированным выше. При этом усредненная по времени и по пространству доля энергии аккреции, выделяющейся в горячей фазе, может быть сравнительно невелика, ^gj ^ 1, но мнгновенное локальное значение будет сколь угодно большим, 1. Следствием такой модели является вывод о

том, что 100% излучения жесткой спектральной компоненты формируется в результате вспышек. На примере рентгеновской Новой в созвездии Персея показано, что этот вывод подтверждается результатами телескопа СИГМА. Получены конкретные параметры индивидуальных вспышек.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На основе наблюдений рентгеновских Новых в созвездиях Мухи, Персея и Змееносца обсерваториями ГРАНАТ, МИР-КВАНТ и АСКА систематически исследованы свойства рентгеновских Новых на энергиях от стандартного рентгеновского до мягкого гамма- диапазона. Показано, что транзиентный источник GRS/KS1730-312, открытый телескопами СИГМА и ТТМ в районе Центра Галактики, имеет, вероятно, ту же природу, что и "классические" рентгеновские Новые. Предложено объяснение наблюдаемых различий в поведении рентгеновских Новых.

2. Проанализированы данные наблюдений обсерватории АСКА с целью поиска мягких спектральных компонент в спектрах аккрецирующих черных дыр в низком (жестком) состоянии. Показано, что в спектре Лебедя Х-1 в низком состоянии присутствует мягкая компонента, соответствующая чернотельному излучению с температурой ~ 130 — 150 эВ, в которой излучается ~ 10 — 30% общей рентгеновской светимости источника. Указано на возможность присутствия аналогичной спектральной компоненты в спектре источника 1Е1740.7— 2942. В то же время не обнаружено сравнимых по температуре и вкладу в светимость мягких компонент в спектрах рентгеновских Новых в созвездиях

Персея и Змееносца. В рамках модели чернотельного диска получены ограничения на вклад мягкой спектральной компоненты в светимость рентгеновской Новой в созвездии Змееносца. Предложено объяснение различий в характере переменности жесткого рентгеновского потока от аккрецирующих черных дыр на промежуточных временных масштабах часов).

3. Черная дыра Лебедь Х-1: По данным СИГМЫ (1990-1994 гг.) обнаружены два режима поведения источника на диаграммах жесткость спектра - светимость (Ь4о_2оо кеу) и жесткость спектра - амплитуда короткомасштабных апериодических вариаций рентгеновского потока. Из сравнения с данными обсерватории АСКА показано, что изменение формы спектра источника при изменении его светимости в жестком рентгеновском диапазоне распространяются и на спектр источника в стандартном рентгене - заметно меняется наклон комптонизаци-онного спектра в интервале энергий от 1 кэВ до ~ 50 — 100 кэВ. При увеличении наклона комптонизационного спектра (понижении светимости ¿40-200 *ег) растут температура и светимость мягкой спектральной компоненты. Предложена интерпретация наблюдаемого поведения.

4. Показано, что спектральные характеристики жесткой компоненты различаются в разных Ъпектральных состояниях кандидатов в черные дыры.

5. Предложена модель возникновения квазипериодических осцилляции жесткого рентгеновского излучения от кандидатов в черные дыры. Модель позволяет также объяснить необычное поведение спектров мощности некоторых источников на частотах ниже ~ 0.01 Гц.

6. Открыты эмиссионные линии на энергиях ~ 0.4 — 0.5 МэВ в спектрах двух аккрецирующих черных дыр (1Е1740.7-2942 и рентгеновской Новой в созвездии Мухи). Продемонстрирована высокая статистическая достоверность обнаружения линий. В рамках аннигиляционного сценария происхождения линий получены ограничения на физические параметры в зоне формирования излучения в линиях.

7. Произведено сравнение рентгеновских спектров двойных систем с разной природой релятивистского объекта (черная дыра или нейтронная звезда) на энергиях £ 40 кэВ. Показано, что аккрецирующие черные дыры имеют систематически более жесткие спектры, чем нейтронный звезды. Предложен метод

диагностики природы компактного объекта в двойной системе на основании спектральных характеристик наблюдаемого жесткого рентгеновского излучения.

8. Предложен подход, позволяющий, не конкретизируя геометрию и физический механизм передачи энергии горячим электронам, сформулировать условия, необходимые для формирования жесткой спектральной компоненты с наклоном а & 2, и объяснить ряд наблюдаемых свойств жесткого рентгеновского излучения.

9. Обобщена модель вспышек применительно к формированию жесткой спектральной компоненты. На примере рентгеновской Новой в созвездии Персея показано, что следствия этой модели совместимы с результатами СИГМЫ. Получены конкретные параметры индивидуальных вспышек.

Основные публикации по теме диссертации

1. Gilfanov М., Churazov Е., Sunyaev R., Vikhlinin A., Finoguenov A., Sitdikov A., Dyachkov A., Khavenson N., Laurent P., Ballet J., Claret A., Goldwurm A., Roques J.P., Mandrou P., Niel M., Vedrenne G.,

"Hard X-ray observations of black hole candidates.", NATO ASI Series, Series C, Vol.450 "The Lives of neutron stars", ed. A.Alpar, U.Kiziloglu, J.van Paradijs, Kluwer Acad. Publishers, 1995, p.331

2. Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Vikhlinin A., Finoguenov A., Sitdikov A., Dyschkov A., Khavensos N., Ballet J., Cordier В., Goldwurm A., Laurent P., Roques J.P., Mandrou P., Niel M., Vedrenne G.,

"Observations of hard X-ray transient GRS1716-249 (Nova Oph 1993) with GRANAT/SIGMA. Preliminary results.", Proceedings of the 4th Annual Astrophysics Conference in Maryland. Kluwer Acad. Publishers, 1995, p.221

3. Trudoluybov S., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Borozdin K., Alexan-drovich N., Khavenson N„ Novikov В., Vargas M., Goldwurm A., Paul J., Denis M., P.Mandrou, J-P Roques, E.Jourdain, V.Borrel

"Hard X-ray observations of GRS/KS1730-312 with GRANAT/SIGMA.", in the ' Proc. of International Conference on X-Ray Astronomy and Astrophysics "Roent-genstrahlung from the Universe", Wurzburg, 1995.

4. Revnivtsev M„ Gilfanov M„ Churazov E„ Sunyaev R., Borozdin K„ Alexandrovich N.. Khavenson N.. Chulkov I., Goldwurm A., Ballet J., Denis M., P.Mandrou, J-P Roques, E.Jourdain, V.Borrel

"Hard X-ra observations o( X-ray Nova Ophiuchi 1993 (GRS1716-249) with GRANAT/SIGMA.", in the Proc. o[ International Conference on X-Ray Astronomy and Astrophysics "Roentgenstrahlung from the Universe", Wurzburg, 1995.

5. Vikhlinin A., Churazov E., Gilfanov M., Sunyaev R., Finoguenov A., Dyachkov A., Kremnev R., Sukhanov K., Ballet J., Goldwurm A., Cordier B., Claret A., Denis M., Olive J. F., Roques J. P., Mandrou P. ,

"Hard X-Ray Variability of X-Ray Nova Persei 1992: Granat/SIGMA Results", 1995, Ap. J., 441, 779

6. Kuznetsov S., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Vikhlinin A., Khavenson N., Dyachkov A., Laurent P., Goldwurm A., Cordier B., Vargas M., P.Mandrou, J-P Roques, E.Jourdain, V.Borrel

"Two distinct modes in the low (hard) state of Cyg X-l and 1E1740.7-2942.", in the Proc. of International Conference on X-Ray Astronomy and Astrophysics "Roentgenstrahlung from the Universe", Wurzburg, 1995.

7. Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Vikhlinin A., Finoguenov A., Khavenson N.. Dyachkov A., Kovtunenko V., Laurent P., Ballet J., Goldwurm A., Claret A., Roques J.P., Mandrou P., Niel M., Vedrenne G.

"Spectral and temporal properties of black hole candidates.", Frontiers Science series #12, "New Horizon of X-Ray Astronomy", Eds.: F.Makino and T.Ohashi, p.433

8. Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Khavenson N., Novikov B., Dyachkov A., Tserenin I., Sukhanov K„ Bouchet L., Denis M., Schmitz-Frayesse M.C., Mandrou P., Paul J., Cordier B., Goldwurm A., Lebrun F. ,

"Observation of transient high-energy emission features in the spectra of black hole candidates and the Crab Nebula by Granat/SIGMA",- 1994, Ap. J. (Supplement Series)., 92, 411

9. Vikhlinin A., Churazov E., Gilfanov M. ,

"Quasi-periodic oscillations in the shot noise model of X-ray sources", 1994, A&A, 287, 73

10. Gilfanov M„ Churazov E., Sunyaev R. A., Grebenev S., Pavlinskii M., D'iachkov A., Kovtunenko V., Kremnev R„ Goldwurm A., Ballet J., Laurent P., Paul J., Jourdain E., Schmitz-Fraysse M.C., Roques J.-P., Mandrou P. ,

"Hard X-ray spectral properties and discovery of narrow annihilation line in the spectrum of Nova Muscae", 1993, Adv.Space Res., 13(12), 695

11. Ситдиков А., Гильфанов M., Сюняев P., Чуразов E., Дьячков А., Кремнев P., Суханов К., Кулешова H., Мандру П., Рок Ж.-П., Буше JI., Ведрен Ж., Лоре П., Кларе А., Кордье Б., Голдвурм А.

"Наблюдения рентгеновской двойной системы 4U1700-377/HD 153919 в диапазоне энергий 35-1300 кэВ телескопом СИГМА обсерватории ГРАНАТ." 1993, Письма в АстронЖурн., 19, 483

12. Gilfanov М., Churazov Е., Sunyaev R., Khavenson N.. Novikov В., Dyachkov A., Kremnev R., Sukhanov K., Bouchet L., Mandrou P., Roques J. P., Vedrenne G., Cordier В., Goldwurm A., Laurent P., Paul J. ,

"Three Years of Monitoring GRS 1758-258: An Extremely Hard X-Ray Source near GX 5-1", 1993, Ap. J., 418, 844

13. Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R. A., Grebenev S., Pavlinskii M., D'iachkov A., Kovtunenko V., Kremnev R., Goldwurm A., Ballet J., Laurent P., Paul J., Jourdain E., Schmitz-Fraysse M.C., Roques J.-P., Mandrou P. ,

"The spectra of Nova Muscae 1991 between 3 keV and 1 MeV observed with GRANAT", 1993, A&A (Supplement Series), 97, 303

14. Sunyaev R., Churazov E., GilTanov M., D'iachkov A., Khavenson N., Grebenev S., Kremnev R., Sukhanov K., Goldwurm A., Ballet J., Cordier В., Paul J., Denis M.,

- Vedrenne G., Niel M., Jourdain E. ,

"X-ray nova in Musca (GRS 1124 - 68) - Hard X-ray source with narrow annihilation line", 1992, Ap. J. (Letters)., 389, 75

15. In't Zand J. J. M„ Pan H. C., Bleeker J. A. M., Skinner G. K„ Gilfanov M. R„ Sunyaev R. A. ,

"The spectral variability in 2-28 keV of GS2023+338 during its 1989 outburst", 1992, A&A, 266, 283

16. Гильфанов M., Сюняев P., Чуразов E., Павлинский M., Гребенев А., Кремнев P., Суханов К., Кулешова H., Голдвурм А., Бале Ж., Кордье Б., Поль Ж., Денис