Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов

Карпов, Сергей Валентинович

Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Карпов, Сергей Валентинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Архыз МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов»

Автореферат диссертации на тему "Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов"

003052149

Специальная Астрофизическая Обсерватория РАН

На правах рукописи УДК 584.854/520.82/52-43

Карпов Сергей Валентинович

НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ БЫСТРОПЕРЕМЕННЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность- 01.03 02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз - 2007

Работа выполнена в Специальной Астрофизической Обсерватории Российской Академии Наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Бескин Григорий Меерович, заведующий Группой релятивистской астрофизики CAO РАН

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук Афанасьев Виктор Леонидович, главный научный сотрудник Лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов CAO РАН

• доктор физико-математических наук Прохоров Михаил Евгеньевич, старший научный сотрудник Отдела релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ

Ведущая организация: Астрокосмический центр Физического Института им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

Защита состоится 12 апреля 2007 года в 1300 на заседании диссертационного совета Д002 203.01 в Специальной Астрофизической Обсерватории Российской Академии Наук по адресу: 396167 CAO РАН, пос. Ниж.Архыз, Карачаево-Черкесская республика, Россия

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке CAO РАН.

Автореферат разослан марта 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н. Е. К. Майорова.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена всестороннему анализу наблюдательных проявлений различных классов быстропеременных релятивистских объектов - одиночных аккрецирующих черных дыр звездных масс, пульсаров, источников космических гамма-всплесков.

Несмотря на существенные различия в степени понимания природы этих феноменов, заведомо ясно, что здесь речь идет о конфигурациях с минимальными размерами и максимальными плотностями вещества и энергии, как гравитационной, так и магнитной. Как следствие, одним из важнейших свойств этих объектов является (или должна быть) переменность их излучения с минимальными (вплоть до микросекунд) характерными временами. Теоретический анализ, разработка методов анализа и наблюдения этих явлений и составляют предмет диссертации.

Одиночные черные дыры звездных масс до сих пор являются гипотетическими объектами - ни одна из них обнаружена не была, несмотря на то, что современные теории звездной эволюции предсказывают значительное их число в Галактике, и проводились специальные программы, направленные на их поиск (Beskin et al 1997). Теоретический анализ их наблюдательных проявлений во многом основан на работе Шварцмана (1971), предсказавшего достаточно высокую эффективность переработки гравитационной энергии аккрецирующего вещества и отсутствие в спектре его излучения линий, а также показавшего определяющую роль вмороженного в вещество магнитного поля в формировании как самого аккреционного потока, так и его наблюдательных проявлений. В данной работе сделана попытка углубить понимание процессов переработки магнитной энергии в излучение, а также исследовать временнйе его свойства

et al 1996; Cordes 1980; Kuiper et al 2003; Rots et al 2004). Поиск и исследование вариаций оптической кривой блеска должны помочь разделить различные физические и геометрические механизмы формирования излучения разных областей спектра. В данной работе проводится анализ стабильности кривой блеска в широком диапазоне характерных времен, ориентированный на исследование как ее систематического изменения на шкале нескольких лет, так и кратковременных вариаций (на секундах - часах) моментов прихода отдельных пульсов.

Мониторинговые программы по поиску быстропеременных оптических тран зиентов, сопровождающих космические гамма-всплески, ведутся практически с момента открытия их оптических послесвечений. Особо сложной и ранее не реализовавшейся является задача обнаружения и изучения оптических вспышек, возможно, связанных с короткими (меньше 1 секунды) гамма всплесками. Для ее решения необходимо сочетание в наблюдениях широкого поля зрения, сравнимого с таковым у космических гамма-телескопов, и высокого временного разрешения, а также обеспечение редукции данных и обнаружения транзиентных объектов в реальном масштабе времени, на шкале долей секунды. В этой работе описывается методология подобных исследований, а также ее конкретная реализация в случае быстрых широкопольных камер FAVOR/TORTORA.

Актуальность темы

Исследование быстропеременных релятивистских объектов является основным методом изучения поведения астрофизической плазмы в экстремальных условиях - в больших магнитных и гравитационных полях. Важным при этом является как теоретический анализ возможных наблюдательных проявлений подобных объектов, так и разработка соответствующих методов получения и редукции данных. Наиболее перспективным в настоящее время представляется исследование вариаций блеска астрофизических объектов с помощью детекторов, позволяющих регистрировать времена прихода отдельных квантов. Анализ таких данных позволяет изучать поведение объекта как во вре-

меннбй, так и в частотной областях.

Результаты исследования стабильности оптического излучения пульсаров, и, в особенности, пульсара в Крабовидной туманности, могут сыграть определяющую роль в развитии теории как внутреннего строения, так и магнитосферы нейтронных звезд.

Другим актуальным направлением изучения быстропеременных объектов являются мониторинговые наблюдения, ставящие целью поиск и исследование оптических транзиентов, связанных с космическими гамма-всплесками, на самых ранних стадиях их существования, где наиболее ярко могут проявиться свойства релятивистских объектов - источников гамма-излучения.

Цель работы

Развитие теории сферической аккреции на одиночные черные дыры звездных масс для максимально полного описания их наблюдательных проявлений

Разработка методики анализа данных, получаемых при наблюдениях с координатно-чувствительными детекторами в оптическом диапазоне, и ее применение к поиску и исследованию как объектов-кандидатов в черные дыры, так и пульсара в Крабовидной туманности.

Разработка методики мониторинговых наблюдений с быстрыми широко-лольными камерами с целью автоматического поиска и исследования быстрых оптических транзиентов

Научная новизна работы

• Построена теория аккреционного течения на ЧД с учетом дискретной диссипации магнитного поля. Показано, что учет сохранения магнитного адиабатического инварианта при аккреции приводит к увеличению темпа нагрева на 25%, росту светимости и изменению профиля температуры в аккреционном потоке. Показано, что диссипация магнитной энергии в турбулентных токовых слоях приводит к появлению дополнительной компоненты плазмы - совокупности пучков ускоренных электронов. Показа-

но, что нетепловая электронная компонента порождает добавочное сравнительно жесткое излучение. Продемонстрировано, что переменность излучения нетепловой компоненты формируется как совокупность вспышек при падении отдельных облаков ускоренных частиц в гравитационном поле ЧД. Профили вспышек отражают структуру гравитационного поля вблизи горизонта событий.

• Проанализирована совокупность наблюдательных данных различных диапазонов для объекта MACHO-1999-BLG-22. В рамках развитой модели аккреции показано, что одна из моделей данного объекта (близкая массивная черная дыра) может быть отвергнута. Сделан вывод, что масса черной дыры меньше 130 солнечных, в то время как расстояние - больше 500 пк. По наблюдениям на 6-м телескопе CAO РАН наложены верхние пределы на переменную компоненту оптического излучения.

• Проведен поиск на б-м телескопе CAO РАН быстрой переменности у объекта-кандидата в черные дыры звездных масс - радио и рентгеновского источника с континуальным оптическим спектром J1942+10 Показано, что у него отсутствует быстрая переменность с относительной мощностью более 90% в диапазоне 10~5 - 10~6 с, и более 3.5% в диапазоне 0.1 - 1 с

• Проведен поиск на 6-м телескопе CAO РАН быстрой переменности у объекта-кандидата в черные дыры звездных масс - радиоисточника с континуальным оптическим спектром 8С 0716-;-714. Показано, что у него отсутствует быстрая переменность с относительной мощностью более 17% в диапазоне Ю-5 - Ю-6 с, и более 1 4% в диапазоне 0.1 - 1 с

• Впервые получены жесткие ограничения на вариации моментов прихода оптических импульсов Краба в диапазоне времен 3 с - 1.5 часа, из которых следуют верхние пределы для параметров прецессии на этих временах. Найдено указание на наличие фазовых вариаций, возможно - квазирегулярных, на временах порядка полутора-двух часов. Впервые обнаружено значимое изменение среднего профиля кривой блеска между

разными сетами наблюдений

• Разработан оригинальный алгоритм для поиска, классификации и определения параметров быстрых оптических транзиентов в реальном времени при мониторинговых наблюдениях с широкопольными телескопами высокого временного разрешения и реализовано соответствующее программное обеспечение для быстрых широкопольных камер FAVOR и TORTORA Разработано математическое обеспечение, с помощью которого реализован режим совместной работы быстрой широкопольной камеры TORTORA

и роботического телескопа REM (комплекс TORTOREM). Система расположена в обсерватории Ла-Силла (Чили) и работает в автоматическом режиме с мая 2006 г.

• Впервые проведены наблюдения областей локализации гамма-всплесков (GRB 060719. GRB 061202 и GRB 061218) с временным разрешением 0.13 секунды через 1-2 минуты после события. Получены ограничения на переменную компоненту оптического излучения на временах 0.13 - 100 секунд на уровне 14-16 звездной величины в полосе, близкой к В.

Практическая ценность

• Развитая модель аккреции может использоваться при анализе состава и пространственной структуры фонового излучения галактик, проверки гипотез о природе различных пекулярных объектов, обнаруживаемых в различных спектральных диапазонах.

• Развитые методы анализа панорамных данных используются в эксперименте МАНИЯ как стандартная система обработки фотометрической, спектральной и поляриметрической информации, полученной в режиме счета фотонов; они могут применяться при анализе любых последовательностей дискретных событий.

• Результаты поиска сверхбыстрой переменности послужат для определения природы изученных пекулярных объектов разных типов.

• Картина динамики оптического излучения пульсара в Крабе на разных временных шкалах послужит серьезным основанием для продвижения в понимании физических свойств как собственно нейтронных звезд, так и их магнитосфер.

• Созданное математическое обеспечение для обнаружения и исследования быстрых оптических транзиентов в широких полях уже используется на нескольких инструментах при поиске оптических компаньонов гамма-всплесков, а также при изучении переменных звезд, метеоров и искусственных небесных тел.

На защиту выносятся

1. Теория сферической аккреции межзвездного вещества с вмороженным магнитным полем на одиночные черные дыры звездных масс, учитывающая возможность дискретного характера процессов диссипации магнитной энергии. Эти процессы приводят к формированию сильнопеременной компоненты излучения в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, характеристики которой связаны со структурой гравитационных и магнитных полей вблизи горизонта событий черной дыры.

2 Методы, алгоритмы и математическое обеспечение для редукции и статистического анализа данных, получаемых при наблюдениях с панорамными счетчиками фотонов в оптическом диапазоне.

3. Результаты поиска быстрой переменности у нескольких объектов-кандидато в одиночные черные дыры звездных масс, верхние пределы на мощность переменной компоненты в диапазоне 10_6 - 1 с. Ограничения на параметры возможных черных дыр.

4 Результаты исследования динамики кривой блеска пульсара в Крабе по данным в оптическом диапазоне, ограничения на амплитуду возможной прецессии в диапазоне периодов 3 3 с - 1.5 часа. Обнаружение изменения формы кривой блеска и структуры главного и вторичного пульсов

на шкале нескольких лет Обнаружение признаков вариаций моментов прихода главного пульса с характерным временем полтора-два часа.

5. Разработка методов, алгоритмов и программ для автоматического поиска, идентификации и определения параметров быстрых оптических транзиентов различных типов в реальном времени при мониторинговых наблюдениях с помощью широкоугольных камер высокого временного разрешения. Создание математического обеспечения для реализации совместного функционирования широкопольной камеры и роботического телескопа, образующих двухтелескопный комплекс TORTOREM.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались автором на научных семинарах САО РАН, обсерватории Брера (Милан, Италия), астрономического отделения Болон-ского университета (Болонья, Италия), а также были представлены на следующих российских и международных конференциях:

1. V International Conference on cosmoparticle physics "Cosmion - 2001", May 21-30 2001, Moscow-St.Peterburg, Russia

2. "Black Hole Astrophysics 2002'', Sixth APCTP Winter School, Jan 9-12 2002, Pohang, Korea

3. Всероссийская Астрономическая Конференция (BAK-2004) "Горизонты Вселенной", 3-10 июня 2004, Москва

4. 7th Russian Conference on Physics of Neutron Stars, June 27-29, 2005, St.-Petersburg

5. "Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era", Oct 18 - 22, 2004, Rome, Italy

6. "Relativistic Astrophysics ans Cosmology - Einstein' Legacy", Nov 7-11, 2005, Munich, Germany

7. "Isolated Neutron Stars: from the Interior to the Surface", April 24-28, 2006, London, UK

8. 36th COSPAR Scientific Assembly, July 16 - 23, 2006, Beijing, China

9. "SWIFT and GRBs: Unveiling the Relativistic Universe", June 5-9, 2006, Venice, Italy

10. IAU XXVIth General Assembly, August 14-25, 2006, Prague, Czech Публикации и личный вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, опубликованных в зарубежных изданиях.

В перечисленных работах автору принадлежат:

• В работах [1-2, 6, 13, 14] - детальное исследование природы нетепловой компоненты плазмы аккреционного потока и разработка методики ее описания, а также вычисления параметров ее переменности. Предсказание наличия быстропеременной жесткой компоненты спектра излучения.

• В работе [10,14] - разработка методов поиска и анализа быстрой переменности оптических источников, их реализация современными программными средствами и их использование при изучении объектов-кандидатов

вЧД.

• В работах [3-5, 7-8, 11] - разработка методики анализа данных, получаемых при наблюдениях с быстрыми широкопольными камерами и алгоритма автоматического выделения и классификации быстрых оптических транзиентов в реальном масштабе времени, а также создание и поддержание соответствующего математического обеспечения, их реализующего

• В работах [9,12] - разработка методики анализа стабильности оптического профиля излучения пульсара в Крабовидной туманности и ее применение к результатам наблюдений на БТА и телескопе им. Вильяма Гершеля.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка литературы. Она содержит 180 страниц, 55 рисунков, 11 таблиц. Список литературы

насчитывает 185 наименований.

Содержание работы по главам Введение

Во введении обсуждаются актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, научная и практическая значимость работы, а также приводится список работ, в которых опубликованы результаты диссертации с указанием личного вклада автора в совместных публикациях.

Глава 1: Наблюдательные проявления одиночных аккрецирующих черных дыр звездной массы

Первая глава посвящена развитию теории сферической аккреции на одиночные черные дыры звездных масс Вначале приводится обзор современного состояния вопроса и показывается важность теоретического исследования наблюдательных проявлений подобных объектов. Затем рассматриваются условия в аккреционном потоке и показывается важность учета процессов диссипации магнитной энергии. Предлагается конкретная модель этого явления -дискретные перезамыкания магнитных силовых линий в турбулентных токовых слоях. Показывается, как при достаточно общих предположениях может быть рассчитан профиль энергетического распределения электронов, вычислена светимость и получена форма спектра излучения аккреционного потока. Демонстрируется, что излучение электронов, ускоренных в токовых слоях, приводит к формированию отдельной компоненты энергетического распределения и появлению заметной доли жесткого излучения. Кроме того, принятие дискретного механизма диссипации магнитной энергии позволяет определить свойства переменности излучения аккреционного потока - пучки ускоренных при перезамыканиях магнитных силовых линий в турбулентных токовых слоях электронов генерируют очень короткие вспышки, несущие информацию об окрестностях горизонта событий.

Глава 2: Обработка данных, получаемых в режиме счета фотонов

Во второй главе приводится сводка современных методов анализа данных высокого временнбго разрешения (как широко используемых в наблюдательной астрофизике, так и специально разработанных), получаемых при наблюдениях со счетчиками фотонов, как в панорамном, так и в одноканальном режимах. Рассматриваются методы поиска быстрой переменности (на временах вплоть до 1 мкс), основанные на использовании преобразования Фурье (построение "спектра мощности'1), а также на анализе распределения интервалов между последовательными квантами (метод 1/2-функций, см. Шварцман (1977))

Особое внимание уделяется различным аспектам анализа данных, получаемых при оптических наблюдениях пульсаров. Описывается методика исследования стабильности времен прихода импульсов, основанная на кросс-корреляции набора кривых блеска, получаемых по коротким сегментам данных, с опорным профилем излучения. Изучаются статистические свойства подобной оценки, показывается, что она является несмещенной и состоятельной.

Также описываются принципы организации универсальной системы редукции подобных данных, применяемой в штатном режиме при анализе информации, получаемой при наблюдениях с панорамными фотонными детекторами 6-м телескопа CAO РАН.

Глава 3: Наблнэдения объектов-кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс

Глава посвящена исследованию объектов-кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс на основании результатов наблюдений на 6-м телескопе CAO РАН с использованием координатно-чувствительного детектора. Вначале приводится сводка критериев отбора подобных объектов, как использованных на начальном этапе эксперимента МАНИЯ (Шварцман 1977; Shvartsman, Beskin & Pustilnik 1989; Shvartsman, Beskin & Mitronova 1989), так и современных. Затем приводятся результаты исследования трех объектов различных

классов.

Первый объект - 8С 0716+714 - является радиообъектом с оптическим спектром, не имеющим линий, переменным на всех временах от десятков лет до десятков минут (Raiten et al 2003). Наблюдательные проявления объекта позволяют отнести его к классу блазаров (Biermann et al 1981), однако вопрос о его внегалактическом происхождении (фактически - об обнаружении подстилающей галактики) до сих пор остается открытым; возможна также интерпретация его как галактического объекта звездной массы. Выбор между этими двумя вариантами может быть проведен на основании анализа быстрой переменности излучения. Проведенные наблюдения позволили получить ограничения на относительную мощность переменной компоненты оптического излучения на шкале от Ю-6 с до 0.1 с на уровне от 17% до 1.4% соответственно, что согласуется с моделью источника как внегалактического объекта с излучающими струйными выбросами.

Второй объект, кандидат в черные дыры J1942+10, был отобран как имеющий заметное радио и рентгеновское излучение и континуальный (не имеющий особенностей) оптический спектр, а также существенную переменность на больших временах (Tsaievsky et al 2005), что совпадает с ожидаемыми наблюдательными проявлениями сферически-симметричного аккреционного потока, полученными в Главе 1. Проведенные наблюдения позволили получить ограничения на относительную мощность переменной компоненты излучения на шкале от 10~6 с до 1 с на уровне от 92% до 3.4% соответственно. Таким образом, указаний на то, что этот объект может являться одиночной черной дырой звездной массы, обнаружено не было.

Последний из исследуемых объектов - гравитационная линза МАСНО-99-BLG-22 - является наиболее надежным на данный момент кандидатом в одиночные черные дыры (Мао et al 2001; Bennett et al 2001), для которого установлена связь между массой и расстоянием до объекта, а также оценена его скорость. Более того, сопоставление данных о линзе, получаемых из анализа кривой возрастания блеска, с кинематической моделью Галактики позволяет определить три наиболее вероятных конфигурации этого объекта - на расстояниях от наблюдателя 500 пк, 2 кпк и 6 кпк с массами 130 М®, 27 Mq и

3.5 М0 соответственно (Bennett et al 2001; Agol et al 2002).

В этой части главы на основании привлечения публично доступных данных космических телескопов Hubble (оптический диапазон) и XMM-Newton (рентгеновский диапазон) получаются ограничения на параметры возможной черной дыры в рамках развитой в Главе 1 модели генерации ее излучения при сферической аккреции. Кроме того, по данным наблюдений на 6-м телескопе определяются верхние пределы на относительную мощность переменной компоненты излучения на временах от 10~6 с до 1 с. Совокупность этих данных позволяет отвергнуть одну из моделей объекта - близкую массивную черную дыру, тогда как анализ двух оставшихся вариантов требует существенно более длительных наблюдений.

Глава 4: Исследование стабильности кривой блеска оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности

В четвертой главе приводятся результаты анализа стабильности кривой блеска оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности по данным наблюдений на 6-м телескопе САО РАН и 4.2-м телескопе им. Вильяма Гер-шеля (La-Palma, Канарские острова) с использованием различных счетчиков квантов, как панорамных (Debur et al 2003), так и одноканальных (Ryan, Redfern к Shearer 2006).

Исследование вариаций времен времен прихода импульсов описанным в Главе 2 методом позволяет получить жесткие верхние пределы на возможные периодические вариации на временах от 3.3 секунды до 1,5 часа. Не найдено указаний на наличие вариаций фазы с периодом около 60 секунд, о которых сообщалось в работе Cadez et al (2001). В то же время, обнаруживаются вариации моментов прихода импульсов на шкале, сравнимой с длительностью интервала наблюдений (полтора-два часа) с амплитудой около нескольких микросекунд. Сравнение величины этого эффекта с известными по радионаблюдениям параметрами "временного шума" (степенной спектр с показателем —3.09 в интервале времен от нескольких лет до нескольких суток, см. Scott, Finger & Wilson (2003)) показывает существенное превышение наблюдаемой амплитуды над ожидаемой, что может свидетельствовать о наличии отдель-

ной (возможно - квазипериодической) компоненты шума на этих временах.

Проводится сравнение интегральных профилей кривой блеска, полученных при наблюдениях в разные годы и показывается, что существуют значимые их вариации, которые можно интерпретировать как изменение формы главного и вторичного пульсов, а также расстояния между ними.

Глава 5: Поиск быстрых оптических транзиентов при мониторинговых наблюдениях с использованием быстрых широкопольных камер

Глава посвящена описанию методологии проведения мониторинговых наблюдений с широкопольными камерами, предназначенными для поиска и исследования быстрых оптических транзиентов в реальном масштабе времени. Вначале рассматриваются общие требования к подобным наблюдательным программам и показывается необходимость использования приборов высокого временного разрешения.

Затем описываются технические характеристики двух разработанных при участии CAO РАН быстрых широкопольных камер и рассматриваются требования к математическому обеспечению, вытекающие из конструктивных особенностей этих приборов и специфики режимов мониторинга.

Предлагается алгоритм автоматического выделения и классификации тран-зиентных событий и описывается его конкретная реализация, а также структура математического обеспечения быстрых широкопольных камер высокого временного разрешения FAVOR и TORTORA

В завершение главы, приводятся результаты наблюдений областей локализации трех гамма-всплесков и определяются верхние пределы на уровень переменной компоненты излучения их оптических компаньонов на шкале нескольких минут после гамма-вспышки.

Заключение

В заключении формулируются основные выводы диссертации и приводятся результаты, выносимые на защиту.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. G. Beskin & S. Karpov. "Accretion of magnetized gas onto a single stellar mass black hole", Gravitation and Cosmology Suppl., 2002, 8, 182

2. G. Beskin & S. Karpov "Observational appearance of magnetic field lines reconnections in single black hole accretion flow", in "Black Hole Astrophysics 2002", edited by H.K.Lee and G.-M.Park, World Scientific, 2002.

3. A. Biryukov, G. Beskin, S. Bondar, K. Hurley, E. Ivanov, S. Karpov, E. Katkova, A. Pozanenko, I. Zolotukhin. "Software for detection of optical transients in observations with rapid wide-field camera", Astron. Nachr./AN, 2004, 325, 6/8, 676

4. S. Karpov, D. Bad'in, G. Beskin, A. Biryukov, S Bondar, G. Chuntonov, V. Debur, E. Ivanov, E Katkova, V. Plokhotnichenko, A. Pozanenko, I. Zolotukhin (Russia): K. Hurley (USA); E. Palazzi, N. Masetti, E. Pian, L Nicastro, C. Bartolini, A. Guarnieri, D. Nanny, A. Piccioni (Italy); N. Brosch, D. Eichler (Israel); A. Shearer, A. Golden, M. Redfern (Ireland); J.-L Atteia, M. Boer (Freance). "FAVOR (FAst Variability Optical Registration) - two-telescope complex for detection and investigation of short optical transients'", Astron. Nachr./AN, 2004, 325, 6/8, 677

5. I Zolotukhin, G. Beskin, A. Biryukov, S. Bondar, K. Hurley, E. Ivanov, S. Karpov, E. Katkova and A. Pozanenko. "Optical camera with high temporal resolution to rearch for transients in the wide field", Astron. Nachr./AN, 2004, 325, 6/8, 675

6. Beskin G.M., Karpov S.V "Low-rate accretion onto isolated stellar mass black holes", Astronomy and Astrophysics, 2005, 440, 223

7. S. Karpov, G. Beskin, A. Biryukov, S Bondar, K Hurley, E. Ivanov, E. Katkova, A. Pozanenko, I. Zolotukhin. "Optical camera with high temporal resolution to search for transients in the wide field", Nuovo Cimento C, 2005, 28, issue 04-05, 747

8. G. Beskin, V. Bad'in, A. Biryukov, S. Bondar, G. Chuntonov, V. Debur, E. Ivanov, S. Karpov, E. Katkova, V. Plokhotnichenko, A. Pozanenko, I. Zolotukhin, K. Hurley, E. Palazzi, N. Masetti, E. Pian, L. Nicastro, C. Bartolini, A. Guainieri, A. Piccioni, P. Conconi, E. Molinari, F. M. Zerbi, N. Broseh, D. Eichler, A. Shearer, J.-L Atteia, M. Boer. "FAVOR (FAst Variability Optical Registration) - A two-telescope complex for detection and investigation of short optical transients", Nuovo Cimento C, 2005, 28, issue 04-05, 751

9. Biryukov A., Beskin G, Karpov, S., Shearer, A., "Short time scale pulse stability of the Crab pulsar in the optical band", Advances in Space Research, 2006, in press

10. Biryukov A., Beskin G., Karpov, S., "Observational appearances of isolated stellar-mass black hole accretion - theory and observations", Advances in Spacc Research, 2006, in press

11. E. Mohnari, S. Bondar, S. Karpov, G. Beskin, A. Biryukov et al. "TORTOREM - Two-telescope complex for detection and investigation of optical transients", II Nuovo Cimento, 2006, in press

12. S. Karpov, G. Beskm, et al. "Short time scale pulse stability of the Crab pulsar in the optical band", Ap&SpSci, 2006, in press

13. S.-Karpov & G. Beskin. "Observational manifestations of accretion onto isolated black holes of different masses", Proceedings of IAU Symposium No.238 "Black Holes: from Stars to Galaxies - across the Range of Masses", edited by V. Karas & G. Matt, 2007, in press.

14. G. Beskin, V Debur, S Karpov, V. Plokhotnichenko & A. Biryukov. "Search for the event horizon evidences by means of optical observations with high temporal resolution", Proceedings of IAU Symposium No 238 "Black Holes: from Stars to Galaxies - across the Range of Masses", edited by V. Karas & G. Matt, 2007, in press.

Цитируемая литература

Beskin, G.M., Komarova, V.N., Neizvestny, S.I. et al. 1997, ExA, 7, 413 Шварцман, В. 1971, Астрон.Ж. 48, 438.

Shvartsman, V.F., Beskin, G.M., & Mitronova, SN. 1989b, Astron. Report Letters, 15, 145 Shvartsman, V.F., Beskin, G.M., к Mitronova, S.N. 1989b, Astron Report Letters, 15, 145 Pacini, F. 1971, ApJ 163, 17-19

Nasuti, F .P., Mignani, R., Caraveo, P.A. & Bignami, G.F. 1996, AfcA 314, 849-852

Kuiper, L., Hermsen, W., Walter, R. & Foschini, L. 2003, A&A, 411, 31

Rots, A.H., Jahoda, K. & Lyne, A.G. 2004, ApJ, 605, 129

Шварцман, В. 1977, Сообщения CAO 19, 3

Shvartsman, V.F., Beskin, G.M., & Pustilnik, S A. 1989, Afz, 31, 457

Shvartsman, V.F., Beskin, G.M , & Mitronova, S.N. 1989b, Astron Report Letters, 15, 145

Raiteri, C. M., et al. 2003, A&A 402, 151

Biermann, P., et al. 1981, ApJ 247, L53

Tsarevsky, G., de Freitas Pacheco, José A., Kardashev, N., de Laverny, P., Thévenin, F., Slee, О. В., Stathakis, R. A., Barsukova, E., Goransky, V., Komberg, B. 2005, A&A 438, 949 Mao, S. et al. 2002, MNRAS 329, 349

Bennett, D.P., Becker, A.C., Calitz, C.C. et al. 2002, ApJ579, 639

Agol, E., Kamionkowski, M., Koopmans, V.E , & Blandford, R.D. 2002, ApJ576, 131

V. Debur, et al. 2003, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 513. 127-131

Ryan, О , Redfern, M. & Shearer, A. 2006, Exp Astron. 21, 23

Cadez, A., et al. 2001, A&A 366, 930-934

/ ^

Бесплатно

С.В. Карпов

Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов

Зак. N1770 Уч. изд. л. - 1.0 Тираж 100 Специальная астрофизическая обсерватория РАН

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Карпов, Сергей Валентинович

Введение

1 Наблюдательные проявления одиночных аккрецирующих черных дыр звездной массы

1.1 Введение.

1.2 Природа аккреционного потока и параметры модели

1.2.1 Темп аккреции для различных параметров черной дыры и межзвездного вещества.

1.2.2 Роль неоднородностей межзвездной среды. Режим аккреции.

1.2.3 Радиальная структура аккреционного потока.

1.2.4 Вспышечная диссипация энергии магнитного поля и ускорение электронов в токовых слоях.

1.2.5 К вопросу о конвекции.

1.3 Расчет распределения электронов

1.3.1 Замечание об адиабатическом нагреве.

1.3.2 Радиальный профиль температуры

1.3.3 Функция распределения для нетепловой компоненты

1.4 Спектр излучения.

1.5 Светимость.

1.6 Свойства вспышек.

1.7 Обсуждение.

1.8 Выводы.

2 Обработка данных, получаемых в режиме счета фотонов

2.1 Введение.

2.1.1 Панорамный счет фотонов

2.1.2 Существующие детекторы и их форматы данных

2.2 Методы анализа данных.

2.2.1 Обработка изображений.

2.2.2 Кривые блеска.

2.2.3 Методы, основанные на преобразовании Фурье

2.2.4 Анализ статистики интервалов между квантами

2.2.5 Анализ периодических сигналов.

2.3 Организация системы обработки данных.

3 Наблюдения объектов-кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс

3.1 Принципы отбора объектов.

3.1.1 Начальные этапы эксперимента.

3.1.2 Современная ситуация.

3.2 Исследование объекта 8С 0716+

3.2.1 Введение.

3.2.2 Наблюдения.

3.2.3 Поиск переменности на короткой временной шкале

3.3 Исследование объекта J1942+

3.3.1 Введение.

3.3.2 Наблюдения.

3.3.3 Поиск переменности.

3.4 Исследование объекта MACHO-99-BLG

3.4.1 Введение.

3.4.2 Сводка существующих наблюдательных данных

3.4.3 Моделирование излучения от объекта.

3.4.4 Поиск быстрой переменности в области локализации

3.4.5 Выводы.

4 Исследование стабильности кривой блеска оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности

4.1 Введение.

4.1.1 Данные

4.2 Анализ стабильности времен прихода импульсов.

4.2.1 Методика определения "фазовых сдвигов".

4.2.2 Обнаружение и компенсация аппаратного эффекта

4.2.3 Анализ "фазовых сдвигов".

4.2.4 Выводы.

4.3 Сравнение интегрального профиля, полученного в разные эпохи.

Поиск быстрых оптических транзиентов при мониторинговых наблюдениях с использованием быстрых широкополь-ных камер

5.1 Введение.

5.1.1 Оптические компаньоны космических гамма-всплесков

5.1.2 Требования к инструментам для патрульных наблюдений

5.1.3 Существующие широкопольные патрульные системы

5.2 Технические характеристики широкопольных камер.

5.3 Принципы работы программного обеспечения

5.3.1 Общая структура программного комплекса.

5.3.2 Работа модуля анализа данных в реальном масштабе времени.

5.3.3 "Разностный" метод выделения транзиентных событий

5.3.4 Проблема "прожигания" "среднего кадра".

5.3.5 Функция обнаружения.

5.3.6 Построение координатного преобразования.

5.3.7 Фотометрическая калибровка.

5.3.8 Алгоритм выделения и классификации событий

5.3.9 Анализ журнала работы после наблюдений.

5.4 Результаты работы

Введение диссертация по астрономии, на тему "Наблюдательные проявления быстропеременных релятивистских объектов"

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена всестороннему исследованию, как теоретическому, так и экспериментальному, наблюдательных проявлений нестационарных релятивистских объектов.

Указанные объекты являются идеальными полигонами для исследования физических процессов в условиях экстремальных плотностей вещества, магнитной и гравитационной энергии. Особенностью этих процессов являются их малые характерные времена, определяемые компактностью областей их протекания. Это относится как к гипотетическим черным дырам и уже обнаруженным нейтронным звездам, так и к до сих пор остающимися объектами неизвестной природы космическим гамма-всплескам.

За последние годы наше понимание процессов, происходящих в окрестностях релятивистских объектов, существенно возросло. Это связано главным образом с огромными объемами данных, получаемых при наблюдениях рентгеновских двойных систем и гамма-всплесков с использованием космических аппаратов. Однако, до сих пор остается множество нерешенных проблем и слабо исследованных разделов.

Так, исследования черных дыр ограничены в массе своей лишь анализом наблюдательных проявлений оптически плотных аккреционных потоков на значительных (г ~ Югд) расстояниях от горизонта событий, что практически не позволяет получать модельно-независимую информацию о свойствах метрики пространства-времени вблизи горизонта. Объекты же с оптически тонкими и существенно более простыми аккреционными потоками - одиночные черные дыры звездной массы - до сих пор не обнаружены.

До сих пор остается не до конца понятой проблема нестационарности процессов замедления вращения радиопульсаров (проблема "временного шума") - несмотря на то, что это явление известно уже более 30 лет и достаточно неплохо исследованы его статистические свойства, остается неясной его физическая природа (связано ли оно с нестационарными процессами в магнитосфере, либо отражает изменения внутренней структуры нейтронной звезды). Помимо этого, до сих пор не выяснена внутренняя (минимальная) временная шкала этого явления, напрямую связанная с его физикой.

Источники космических гамма-всплесков также до сих пор не исследованы во всем диапазоне спектра и характерных времен. Несмотря на то, что оптическое излучение после окончания гамма-события (а в некоторых случаях - и на этапе его спада) изучено уже достаточно неплохо ("послесвечения"), остается непонятным его поведение непосредственно перед и во время начала гамма-всплеска. Связано это главным образом с недостатками используемой на данный момент "реагирующей" схемы наблюдений таких событий.

Упомянутые проблемы и объекты изучаются в рамках эксперимента МАНИЯ [84, 85, 86, 9], начатого В. Шварцманом и проводимого в САО РАН с 1970-х гг. Его особенностью является синтетический подход к проблемам различной направленности - теоретических, методологических, ап-праратурных и наблюдательных - так или иначе связанных с исследованием нестационарных явлений с предельно высоким (вплоть до 1 мкс) временным разрешением.

В работе выполнен теоретический анализ наблюдательных проявлений одиночных аккрецирующих черных дыр, разработана методика обработки панорамных данных высокого временного разрешения, представлены результаты наблюдений объектов-кандидатов в одиночные черные дыры, а также оптического пульсара в Крабовидной туманности, а также представлена методология поиска быстрых оптических транзиентов при мониторинговых наблюдениях с высоким временным разрешением.

Актуальность темы

Цель работы

Развитие теории сферической аккреции на одиночные черные дыры звездных масс для максимально полного описания их наблюдательных проявлений.

Разработка методики мониторинговых наблюдений с быстрыми широко-польными камерами с целью автоматического поиска и исследования быстрых оптических транзиентов.

Научная новизна работы

• Построена теория аккреционного течения на одиночные черные дыры звездных масс с учетом дискретной диссипации магнитного поля. Показано, что учет сохранения магнитного адиабатического инварианта при аккреции приводит к увеличению темпа нагрева на 25%, росту светимости и изменению профиля температуры в аккреционном потоке. Показано, что диссипация магнитной энергии в турбулентных токовых слоях приводит к появлению дополнительной компоненты плазмы - совокупности пучков ускоренных электронов. Показано, что нетепловая электронная компонента порождает добавочное сравнительно жесткое излучение. Продемонстрировано, что переменность излучения нетепловой компоненты формируется как совокупность вспышек при падении отдельных облаков ускоренных частиц в гравитационном поле черной дыры. Профили вспышек отражают структуру гравитационного поля вблизи горизонта событий.

Проанализирована совокупность наблюдательных данных различных диапазонов для объекта-кандидата в одиночные черные дыры - гравитационной линзы MACHO-1999-BLG-22. В рамках развитой модели аккреции показано, что одна из моделей данного объекта (близкая массивная черная дыра) может быть отвергнута. Сделан вывод, что масса черной дыры меньше 130 солнечных, в то время как расстояние - больше 500 пк. По наблюдениям на 6-м телескопе САО РАН наложены верхние пределы на переменную компоненту оптического излучения.

Проведен поиск на 6-м телескопе САО РАН быстрой переменности у объекта-кандидата в черные дыры звездных масс - радио и рентгеновского источника с континуальным оптическим спектром J1942+10. Показано, что у него отсутствует быстрая переменность с относительной мощностью более 90% в диапазоне Ю-5 - Ю-6 с, и более 3.5% в диапазоне 0.1 - 1 с.

Проведен поиск на 6-м телескопе САО РАН быстрой переменности у объекта-кандидата в черные дыры звездных масс - радиоисточника с континуальным оптическим спектром 8С 0716+714. Показано, что у него отсутствует быстрая переменность с относительной мощностью более 17% в диапазоне Ю-5 - 10~6 с, и более 1.4% в диапазоне 0.1-1 с.

Впервые получены жесткие ограничения на вариации моментов прихода оптических импульсов Краба в диапазоне времен 3 с -1.5 часа, из которых следуют верхние пределы для параметров прецессии на этих временах. Найдено указание на наличие фазовых вариаций, возможно - квазирегулярных, на временах порядка полутора-двух часов. Впервые обнаружено значимое изменение среднего профиля кривой блеска между разными сетами наблюдений, т.е. на шкале нескольких лет.

Разработан оригинальный алгоритм для поиска, классификации и определения параметров быстрых оптических транзиентов в реальном времени при мониторинговых наблюдениях с широкопольными телескопами высокого временного разрешения. Реализовано соответствующее программное обеспечение для функционирования быстрых широкопольных камер FAVOR и TORTORA. Разработано математическое обеспечение, с помощью которого реализован режим совместной работы быстрой широкопольной камеры TORTORA и роботиче-ского телескопа REM (комплекс TORTOREM). Система расположена в обсерватории Ла-Силла (Чили) и работает в автоматическом режиме с мая 2006 г.

• Впервые проведены наблюдения областей локализации гамма-всплесков (GRB 060719, GRB 061202 и GRB 061218) с временным разрешением 0.13 секунды через 1-2 минуты после события. Получены ограничения на переменную компоненту оптического излучения на временах 0.13 - 100 секунд на уровне 14-16 звездной величины в полосе, близкой к В.

Практическая ценность

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались автором на научных семинарах САО РАН, обсерватории Брера (Милан, Италия), астрономического отделения Болонского университета (Болонья, Италия), а также были представлены на следующих российских и международных конференциях:

1. V International Conference on cosmoparticle physics "Cosmion - 2001", May 21-30 2001, Moscow-St.Peterburg, Russia

2. "Black Hole Astrophysics 2002", Sixth APCTP Winter School, Jan 9-12 2002, Pohang, Korea

3. Всероссийская Астрономическая Конференция (BAK-2004) "Горизонты Вселенной", 3-10 июня 2004, Москва

4. 7th Russian Conference on Physics of Neutron Stars, June 27-29, 2005, St.-Petersburg

5. "Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era", Oct 18 - 22, 2004, Rome, Italy

6. "Relativistic Astrophysics and Cosmology - Einstein' Legacy", Nov 7-11,

2005, Munich, Germany

7. "Isolated Neutron Stars: from the Interior to the Surface", April 24-28,

2006, London, UK

8. 36th COSPAR Scientific Assembly, July 16 - 23, 2006, Beijing, China

9. "SWIFT and GRBs: Unveiling the Relativistic Universe", June 5-9, 2006, Venice, Italy

10. IAU XXVIth General Assembly, August 14-25, 2006, Prague, Czech Публикации и личный вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, опубликованных в зарубежных изданиях.

В перечисленных работах автору принадлежат:

• В работах [1-2, 6,13,14] - детальное исследование природы нетепловой компоненты плазмы аккреционного потока и разработка методики ее описания, а также вычисления параметров ее переменности. Предсказание наличия быстропеременной жесткой компоненты спектра излучения.

• В работах [10, 14] - разработка методов поиска и анализа быстрой переменности оптических источников, их реализация современными программными средствами и применение к изучению объектов-кандидатов в одиночные черные дыры.

• В работах [3-5, 7-8, И] - разработка методики анализа данных, получаемых при наблюдениях с быстрыми широкопольными камерами и алгоритма автоматического выделения и классификации быстрых оптических транзиентов в реальном масштабе времени, а также создание и поддержание соответствующего математического обеспечения, их реализующего.

• В работах [9, 12] - разработка методики анализа стабильности оптического профиля излучения пульсара в Крабовидной туманности и ее применение к результатам наблюдений на БТА и телескопе им. Вильяма Гершеля.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 179 страниц, 53 рисунка, 12 таблиц. Список литературы насчитывает 203 наименования.

Заключение диссертации по теме "Астрофизика, радиоастрономия"

4. Результаты исследования динамики кривой блеска пульсара в Крабе по данным в оптическом диапазоне, ограничения на амплитуду возможной прецессии в диапазоне периодов 3.3 с - 1.5 часа. Обнаружение изменения формы кривой блеска и структуры главного и вторичного пульсов на шкале нескольких лет. Обнаружение признаков вариаций моментов прихода главного пульса с характерным временем полтора-два часа.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю -Г. М. Бескину. Автор глубоко признателен своим коллегам и соавторам - В.Л.Плохотниченко, В.Г.Дебуру (САО РАН), С.Ф.Бондарю, Е.Иванову и Е.Катковой (НИИ ПП), А.В.Бирюкову и И.Золотухину (ГАИШ МГУ), E.Molinari, S.Covino и F.Zerbi (Osservatorio Astronomico di Brera, Milan, Italy), C.Bartolini, A.Guarnieri, G.Greco, и A.Piccioni (Dipartimento di Astronomia, Bologna University, Italy), E.Palazzi (I.A.S.F. - C.N.R., Bologna, Italy), A.Shearer и A.Golden (NUI, Galway, Ireland). Автор благодарит В.Л.Афанасьева, С.H.Фабрику, П.Аболмасова за содержательные обсуждения. Автор признателен научным оргкомитетам следующих конференций за предоставленную финансовую помощь: "Black Hole Astrophysics 2002", "Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era", "Relativistic Astrophysics and Cosmology - Einstein' Legacy", IAU XXVIth General Assembly. Работа поддерживалась следующими грантами: CRDF No. RP1-2394-MO-02, RFBR No. 04-02-17555, INTAS 04-78-7366, а также в рамках программы "Молодые аспиранты РАН" Фонда содействия отечественной науке. Автор признателен Т. И.Ту половой за помощь в подготовке текста диссертации.

Заключение

Сформулируем основные цели представленной работы и результаты проведенных в ней исследований.

Одиночные черные дыры звездных масс до сих пор являются гипотетическими объектами - ни одна из них обнаружена не была, несмотря на то, что современные теории звездной эволюции предсказывают значительное их число в Галактике, и проводились специальные программы, направленные на их поиск [9]. Теоретический анализ их наблюдательных проявлений во многом основан на работе Шварцмана [83], предсказавшего достаточно высокую эффективность переработки гравитационной энергии аккрецирующего вещества и отсутствие в спектре его излучения линий, а также показавшего определяющую роль вмороженного в вещество магнитного поля в формировании как самого аккреционного потока, так и его наблюдательных проявлений. В данной работе сделана попытка углубить понимание процессов переработки магнитной энергии в излучение, а также исследовать временные его свойства.

Оптическое излучение пульсара в Крабовидной туманности исследуется уже почти 30 лет, однако до сих пор непонятны точные механизмы его формирования. Известно, что оно отличается относительно высокой стабильностью на фоне сильной переменности в радиодиапазоне, а также нерегулярных вариаций моментов прихода импульсов ("временного шума") [154,155,143,145,146]. Поиск и исследование вариаций оптической кривой блеска должны помочь разделить различные физические и геометрические механизмы формирования излучения разных областей спектра. В данной работе проводится анализ стабильности кривой блеска в широком диапазоне характерных времен, ориентированный на исследование как ее систематического изменения на шкале нескольких лет, так и кратковременных вариаций (на секундах - часах) моментов прихода отдельных пульсов.

Мониторинговые программы по поиску быстропеременных оптических транзиентов, сопровождающих космические гамма-всплески, ведутся практически с момента открытия их оптических послесвечений. Особо сложной и ранее не реализовавшейся является задача обнаружения и изучения оптических вспышек, возможно, связанных с короткими (меньше 1 секунды) гамма всплесками. Для ее решения необходимо сочетание в наблюдениях широкого поля зрения, сравнимого с таковым у космических гамма-телескопов, и высокого временного разрешения, а также обеспечение редукции данных и обнаружения транзиентных объектов в реальном масштабе времени, на шкале долей секунды. В этой работе описывается методология подобных исследований, а также ее конкретная реализация в случае быстрых широкопольных камер FAVOR/TORTORA.

Первая глава посвящена развитию теории сферической аккреции на одиночные черные дыры звездных масс. Вначале приводится обзор современного состояния вопроса и показывается важность теоретического исследования наблюдательных проявлений подобных объектов. Затем рассматриваются условия в аккреционном потоке и показывается важность учета процессов диссипации магнитной энергии. Предлагается конкретная модель этого явления - дискретные перезамыкания магнитных силовых линий в турбулентных токовых слоях. Показывается, как при достаточно общих предположениях может быть рассчитан профиль энергетического распределения электронов, вычислена светимость и получена форма спектра излучения аккреционного потока. Демонстрируется, что излучение электронов, ускоренных в токовых слоях, приводит к формированию отдельной компоненты энергетического распределения и появлению заметной доли жесткого излучения. Кроме того, принятие дискретного механизма диссипации магнитной энергии позволяет определить свойства переменности излучения аккреционного потока - пучки ускоренных при перезамыканиях магнитных силовых линий в турбулентных токовых слоях электронов генерируют очень короткие вспышки, несущие информацию об окрестностях горизонта событий.

Во второй главе приводится сводка современных методов анализа данных высокого временного разрешения (как широко используемых в наблюдательной астрофизике, так и специально разработанных), получаемых при наблюдениях со счетчиками фотонов, как в панорамном, так и в одноканальном режимах. Рассматриваются методы поиска быстрой переменности (на временах вплоть до 1 мкс), основанные на использовании преобразования Фурье (построение "спектра мощности"), а также на анализе распределения интервалов между последовательными квантами (метод у2-функций, см. [84]).

Глава 3 посвящена исследованию объектов-кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс на основании результатов наблюдений на 6-м телескопе САО РАН с использованием координатно-чувствительного детектора. Вначале приводится сводка критериев отбора подобных объектов, как использованных на начальном этапе эксперимента МАНИЯ [84, 85, 86], так и современных. Затем приводятся результаты исследования трех объектов различных классов.

Первый объект - 8С 0716+714 - является радиообъектом с оптическим спектром, не имеющим линий, переменным на всех временах от десятков лет до десятков минут [117]. Наблюдательные проявления объекта позволяют отнести его к классу блазаров [118], однако вопрос о его внегалактическом происхождении (фактически - об обнаружении подстилающей галактики) до сих пор остается открытым; возможна также интерпретация его как галактического объекта звездной массы. Выбор между этими двумя вариантами может быть проведен на основании анализа быстрой переменности излучения. Проведенные наблюдения позволили получить ограничения на относительную мощность переменной компоненты оптического излучения на шкале от Ю-6 с до 0.1 с на уровне от 17% до 1.4% соответственно, что согласуется с моделью источника как внегалактического объекта с излучающими струйными выбросами.

Второй объект, кандидат в черные дыры J1942+10, был отобран как имеющий заметное радио и рентгеновское излучение и континуальный (не имеющий особенностей) оптический спектр, а также существенную переменность на больших временах [121], что совпадает с ожидаемыми наблюдательными проявлениями сферически-симметричного аккреционного потока, полученными в Главе 1. Проведенные наблюдения позволили получить ограничения на относительную мощность переменной компоненты излучения на шкале от Ю-6 с до 1 с на уровне от 92% до 3.4% соответственно. Таким образом, указаний на то, что этот объект может являться одиночной черной дырой звездной массы, обнаружено не было.

Последний из исследуемых объектов - гравитационная линза МАСНО-99-BLG-22 - является наиболее надежным на данный момент кандидатом в одиночные черные дыры [124, 6], для которого установлена связь между массой и расстоянием до объекта, а также оценена его скорость. Более того, сопоставление данных о линзе, получаемых из анализа кривой возрастания блеска, с кинематической моделью Галактики позволяет определить три наиболее вероятных конфигурации этого объекта - на расстояниях от наблюдателя 500 пк, 2 кпк и 6 кпк с массами 130 М©, 27 М© и 3.5 М© соответственно [6, 125].

В этой части главы на основании привлечения публично доступных данных космических телескопов Hubble (оптический диапазон) и XMM-Newton (рентгеновский диапазон) получаются ограничения на параметры возможной черной дыры в рамках развитой в Главе 1 модели генерации ее излучения при сферической аккреции. Кроме того, по данным наблюдений на 6-м телескопе определяются верхние пределы на относительную мощность переменной компоненты излучения на временах от 106 с до 1 с. Совокупность этих данных позволяет отвергнуть одну из моделей объекта - близкую массивную черную дыру, тогда как анализ двух оставшихся вариантов требует существенно более длительных наблюдений.

В четвертой главе приводятся результаты анализа стабильности кривой блеска оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности по данным наблюдений на 6-м телескопе САО РАН и 4.2-м телескопе им. Вильяма Гершеля (La-Palma, Канарские острова) с использованием различных счетчиков квантов, как панорамных [97], так и одноканальных [102].

Исследование вариаций времен времен прихода импульсов описанным в Главе 2 методом позволяет получить жесткие верхние пределы на возможные периодические вариации на временах от 3.3 секунды до 1,5 часа. Не найдено указаний на наличие вариаций фазы с периодом около 60 секунд, о которых сообщалось в работах [160, 161]. В то же время, обнаруживаются вариации моментов прихода импульсов на шкале, сравнимой с длительностью интервала наблюдений (полтора-два часа) с амплитудой около нескольких микросекунд. Сравнение величины этого эффекта с известными по радионаблюдениям параметрами "временного шума" (степенной спектр с показателем —3.09 в интервале времен от нескольких лет до нескольких суток, см. [149]) показывает существенное превышение наблюдаемой амплитуды над ожидаемой, что может свидетельствовать о наличии отдельной (возможно - квазипериодической) компоненты шума на этих временах.

Глава 5 посвящена описанию методологии проведения мониторинговых наблюдений с широкопольными камерами, предназначенными для поиска и исследования быстрых оптических транзиентов в реальном масштабе времени. Вначале рассматриваются общие требования к подобным наблюдательным программам и показывается необходимость использования приборов высокого временного разрешения.

Затем описываются технические характеристики двух разработанных при участии САО РАН быстрых широкопольных камер и рассматриваются требования к математическому обеспечению, вытекающие из конструктивных особенностей этих приборов и специфики режимов мониторинга.

Предлагается алгоритм автоматического выделения и классификации транзиентных событий и описывается его конкретная реализация, а также структура математического обеспечения быстрых широкопольных камер высокого временного разрешения FAVOR и TORTORA.

В завершение главы, приводятся результаты наблюдений по "реагирующей" схеме областей локализации трех гамма-всплесков и определяются верхние пределы на уровень переменной компоненты излучения их оптических компаньонов на шкале нескольких минут после гамма-вспышки.

На защиту выносятся

2. Методы, алгоритмы и математическое обеспечение для редукции и статистического анализа данных, получаемых при наблюдениях с панорамными счетчиками фотонов в оптическом диапазоне.

3. Результаты поиска быстрой переменности у нескольких объектов-кандидатов в одиночные черные дыры звездных масс, верхние пределы на мощность переменной компоненты в диапазоне Ю-6 - 1 с. Ограничения на параметры возможных черных дыр.

Список источников диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Карпов, Сергей Валентинович, Нижний Архыз

1. Abramowicz, М.А., Kluzniak, W., к Lasota, J.P. 2002, 2002, A&A, 396, 31

2. Agol, E., к Kamionkowski, M. 2002, MNRAS, 334, 553

3. Anastasiadis, A., Vlahos, L., к Georgoulis, M.K. 1997, ApJ, 489, 367

4. Armstrong, J.W., Rickett, B.J., Spangler, S.R., 1995 ApJ, 443, 209

5. Bak, P., Tang, С., к Weisenfeld, K. 1987, Phys.Rev.Let., 59, 381

6. Bennett, D.P., Becker, A.C., Calitz, C.C. et al. 2002, ApJ, 579, 639

7. Beskin, G.M., Shvartsman, V.F. 1976, in "Relativistic Astrophysics, Cosmology and Gravitational Experiment M, 9

8. Beskin, G.M., к Mitronova, S.N. 1991, Bulletin of the SAO RAS, 32, 33

9. Beskin, G.M., Komarova, V.N., Neizvestny, S.I. et al. 1997, ExA, 7, 413

10. Beskin, G.M., Shearer, A., Golden, A. et al. 2000, In: "Texas in Paris CD-ROM 12/06

11. Beskin, G.M., к Karpov, S.V. 2002a, Gravitation and Cosmology Suppl. Ser., 8, 182

12. Beskin, G.M., к Tuntsov, A.V. 2002b, A&A, 394, 489

13. Beskin, G.M. к Karpov, S.V. 2005, kkk 440, 223

14. Birk, G.T., Lesch, H., Schopper, R., к Wiechen, H. 1999, APh, 11, 63

15. Bisnovatyi-Kogan, G.S., к Ruzmaikin, A.A. 1974, Ap& SS 28, 45

16. Bisnovatyi-Kogan, G.S., к Lovelace, R.V.E. 1997, ApJ, 486, L43

17. Bisnovatyi-Kogan, G.S., к Lovelace, R.V.E. 2000, ApJ, 529, 978

18. Bisnovatyi-Kogan, G.S., к Lovelace, R.V.E. 2001, NewAR, 45, 663

19. Bondi, H., к Hoyle, F. 1944, MNRAS, 104, 273

20. Bondi, H. 1952, MNRAS, 112, 195

21. Chakrabarti, S.K. 1996, Phys.Rep., 266, 229

22. Cherepashchuk, A.M., Usp.Fiz.Nauk, 173, 345

23. Chisholm, J.R., Dodelson, S., к Kolb, E.W. 2003, ApJ, 596, 437

24. Coppi, P.S., 1999, in "High Energy Processes in Accreting Black Holes ASP Conference Series 161, ed. Juri Poutanen к Roland Svensson.

25. Damour, T. 1998,19th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology proceedings, 371

26. Davies, R.E., к Pringle, J.E. 1980, MNRAS, 191, 599

27. Dere, K.P. 1996, ApJ, 472, 864

28. Falgarone, E., к Phillips, T.G. 1990, ApJ, 359, 344

29. Font, J.A., Ibanez, J.M. 1998, ApJ, 494, 297

30. Fryer, C.L., к Kalogera, V. 2001, ApJ, 554, 548

31. Fujita, Y., Inoue, S., Nakamura, Т., et al. 1998, ApJ, 495, 85

32. Gehrels, N., Macomb, D.J., Bertsch, D.L., et al. 2000, Nature, 404, 363

33. Gershberg, R.E. 1989, Memorie Soc.Ast.Ital., 59, 1

34. Greiner, J., Cuby, J.-G., к Mc Caughrean, M.J. 2001, Nature, 414, 522

35. Gruzinov, А., к Quataert, E. 1999, ApJ, 520, 248

36. Heckler, A.F., к Colb, E.W. 1996, ApJ, 472, 85

37. Hudson, Y., к Ryan, J. 1995, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 33, 239

38. Igumenshchev, I., к Narayan, R. 2002, ApJ, 566, 137

39. Illarionov, A.F., к Sunyaev, R.A. 1975, A&A, 39, 185

40. Innes, D.E., Inhester, В., Axford, W.L., к Wilhelm, K. 1997, Nature, 386, 811

41. Ipser, J.R., к Price, R.H. 1977, ApJ, 216, 578

42. Ipser, J.R., к Price, R.H. 1982, ApJ, 255, 654

43. Ipser, J.R., к Price, R.H. 1983, ApJ, 267, 371

44. Kaplan, S.A, к Tsytovich, V.N. 1973, "Plasma Astrophysics International Series of Monographs in Natural Philosophy, Oxford: Pergamon Press

45. Kawaguchi, Т., к Mineshige, S. 1999, PASP, 52, LI

46. Kowalenko, V., к Melia, F. 1999, MNRAS, 310, 1053

47. Kramer, M., Backer, D. C., Cordes, J. M., et al, 2004, NewAR, 48, 993

48. Landau, L.D., к Lifshitz, E.M. 1971, "Classical theory of fields Course of theoretical physics Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies, Oxford: Pergamon Press

49. Larson, R.B., 1981, MNRAS, 194, 809

50. Lazarian, А., к Vishniac, E.T. 1999, ApJ, 517, 700

51. Lazarian, А., к Vishniac, E.T. 2001, in "Astrophysical Plasmas: Codes, Models к Observations ed. S. J. Arthur, N. Brickhouse, к J. Franco

52. Lightman, A.P., к Rybicki, G.B. 1979, "Radiative Processes in Astrophysics:

53. Lu, E.T., к Hamilton, R.J. 1991, ApJ, 380, 89

54. Lu, E.T., Hamilton, R.J., McTiernan, к J.M. Bromund, K. 1993, ApJ, 412, 841

55. Mahadevan, R., к Quataert, E. 1997, ApJ, 490, 605

56. McKee, C.F., к Ostriker, J.P 1977, ApJ, 218, 148

57. Meszaros, P. 1975, AkA, 44, 59

58. Miller, J.S., Shahbaz, Т., к Nolan, L.A. 1998, MNRAS, 294, 25

59. Miller, J.M., Raymond, J., Fabian.A.C. et all. 2004, ApJ, 601,450

60. Miniutti, G., Fabian, A.C., к Miller, J.M. 2004, MNRAS,351,466

61. Narayan, R., Quataert, E., Igumenshchev, I.V., к Abramowicz, M.A. 2002, ApJ, 577, 295

62. Oppenheimer, J., к Snyder, H. 1939, Phys. Rev., 56, 455

63. Paczynski, В. 1991, ApJ, 371, 63

64. Parker, E.N. 1979, "Cosmic Magnetic Fields Clarendon press, Oxford

65. Petchek, H.E. 1963, AAS-NASA Symp. Phys. Solar Flares, 426

66. Punsly, B. 1998a, ApJ, 498, 640

67. Punsly, B. 1998b, ApJ498, 660

68. Pustilnik, L.A. 1978, Soviet Astronomy, 22, 350

69. Pustilnik, S.A. 1977, Soobsch. SAO, 18, 3

70. Pustilnik, L.A. 1997, ApSS, 252, 325

71. Reynolds, C.S., Nowak, M.A. 2003, PhR, 377, 389

72. Reynolds, C.S., Brenneman, L.W., Garofalo, D. et al., 2004, in: "From X-ray Binaries to Quasars: Black hole Accretion on All Mass Scales eds T.Maccarone, R. Fender, L.Ho, in press.

73. Roberts, T.P., Goad, M.R., Ward, M.J., et al. 2002, proceedings of the symposium "New Visions of the X-ray Universe in the XMM-Newton and Chandra Era 26-30 November 2001

74. Ruffert, M. 1997, A&A, 317, 793

75. Ruffert, M. 1999, A&A, 346, 861

76. Sawada, K., Matsuda, Т., Anzer, U., et al. 1989, A&A, 221, 263

77. Shapiro, S.L. 1973a, ApJ, 180, 531

78. Shapiro, S.L. 1973b, ApJ, 185, 69

79. Shapiro, S.L. 1974, ApJ, 189, 343

80. Scharlemann, E.T. 1983, ApJ, 272, 279

81. Shakura, N.I., & Sunyaev, R.A. 1973, A&A, 24, 337

82. Shields, G.A. 1999, PASP, 111, 661

83. Shvartsman, V.F. 1971, Astronomicheskij Zhurnal, 48, 438.

84. Shvartsman, V.F. 1977, Soobsch. SAO, 19, 3

85. Shvartsman, V.F., Beskin, G.M., & Pustilnik, S.A. 1989a, Afz, 31, 457

86. Shvartsman, V.F., Beskin, G.M., к Mitronova, S.N. 1989b, Astron. Report Letters, 15, 145

87. Spitzer, L. 1954, ApJ, 120, 1

88. Stoeger, W.R. 1980, MNRAS, 190, 715

89. Sunyaev, R.A. 1972, Astronomicheskij Zhurnal, 49, 1153

90. Sweet, RA. 1969, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 7, 149

91. Syrovatskii, S. I. 1981, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 19, 163

92. Will, C.M. 1998, gr-qc/9811036

93. Могилевский, Э.И. "Фракталы на Солнце", ФизМатЛит, Москва, 2001

94. Зельдович,Я.Б. и Новиков,И.Д. 1971, "Теория тяготения и эволюция звезд", Наука, Москва

95. Peacock A., Verhoeve P., Rando N., et al. 1996, Nature 381, 135

96. Cabrera В., Clarke R.M., Colling P., et al., 1998, Appl. Phys. Lett. 73(6), 735

97. V. Debur, et al. 2003, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 513, 127-131

98. Firmani, C., Ruiz, E., Bohigas, J. к Bisiacchi, G. F. 1986, Rev. Мех. Astron. Astrofis. 12, 379

99. Timothy, J.G. к Bybee, R.L. 1985, SPIE 687, 1090

100. Plokhotnichenko V., et al. 2003, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 513, 167-171

101. Zhuravkov A. V., Pimonov А. А., к Plokhotnichenko V. L. 1994, Astrofiz. Issled. V. 37. P. 132.

102. Ryan, O., Redfern, M. к Shearer, A. 2006, Exp.Astron. 21, 23

103. Butler, R., Shearer, А. к Redfern, M. 1996, Irish Astr.J., 23, 37

104. Leahy, D.A., et al. 1983, ApJ, 266, 160

105. Miyamoto, S., et al. 1991, ApJ, 383, 784

106. Frigo, M. к Johnson, S.G. 2005, "The Design and Implementation of FFTW3,"Proceedings of the IEEE 93 (2), 216-231

107. Zhang, W., et al. 1995, ApJ, 449, 930

108. Standish, E.M. 1982, "Orientation of the JPL Ephemerides, DE200/LE200, to the Dynamical Equinox of J2000", A&A, 114, 297.

109. Rots, А., программный пакет axBary. Доступен по адресу ftp://heasarc.gsfc.nasa.gov/xte/calibdata/clock/bary/

110. Lyne, A.G., Jordan, C.A. к Roberts, M.E. 2005, Crab Monthly Ephemeris, доступные по адресу http: //www. j b. man. ac. uk/ pulsar/crab .html

111. Hotan, A.W., Bailes, M. к Ord, S.M. 2005, MNRAS, 362, 1267.

112. Taylor, J. 1992, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, 341, 117.

113. Плохотниченко, В.Jl. 1992, кандидатская диссертация

114. Дженкинс, Г., Ватте, Д. "Спектральный анализ и его приложения", издательство "Мир", Москва, 1971

115. Marti', J., Paredes, J. M., Bloom, J. S., Casares, J., Ribo, M. к Falco, E. E. 2004, AkA 413, 309

116. Bychkova, V. S., Kardashev, N. S., Boldycheva, A. V., Gnedin, Yu. N. к Maslennikov, K. L. 2006, Astronomy Reports 50, 802

117. Raiteri, С. M., et al. 2003, AkA 402, 151

118. Biermann, P., et al. 1981, ApJ 247, L53

119. Sbarufatti, В., Treves, А. к Falomo, R. 2005, ApJ 635, 173

120. Wagner S. J. et al., 1996, AJ, 111, 2187

121. Tsarevsky, G., de Freitas Pacheco, Jose A., Kardashev, N., de Laverny, P., Thevenin, F., Slee, О. В., Stathakis, R. A., Barsukova, E., Goransky, V., Romberg, B. 2005, AkA 438, 949

122. Царевский, Г. и др. "Список радиообъектов с континуальными оптическими спектрами". Частное сообщение, 2006.

123. Smith, M.C., Mao, S. к Wozniak, P. 2002, MNRAS, 332, 962

124. Mao, S. et al. 2002, MNRAS, 329, 349

125. Agol, E., Kamionkowski, M., Koopmans, V.E., к Blandford, R.D. 2002, ApJ, 576, 131

126. Mao, S., Paczynski, B. 1991, ApJ, 374, 37

127. Revnivtsev, M.G., к Sunyaev, R.A. 2002, AstL, 28, 69

128. Voges, W., et al. 1999, A&A, 349, 389

129. Voges, W., et al. "Rosat All-Sky Survey: Faint Source Catalogue", доступен по адресу http://www.xray.mpe.mpg.de/rosat/survey/rass-fsc/

130. Vestrand, T. 2002, заявка на наблюдения на XMM-Newton номер 15242.

131. XMM-Newton Science Archive доступен по адресу http://xmm.esac.esa.int/external/xmmdataacc/xsa/index.shtml

132. Bennett, D. 2001, заявка на наблюдения на HST номер 9307

133. Vestrand, Р. 2005, заявка на наблюдения на HST номер 10198

134. Kozlowski, S., et al. 2006, MNRAS, 370, 435

135. Staelin, D. H. к Reifenstein, E. C. 1968, Science, 162, 1481

136. Cocke, W. J., Disney, M. J. к Taylor, D. J. 1969, Nature, 221, 525

137. Kristian, J., Visvanathan, N., Vestphal, J.A. к Snellen, G.H. 1970, ApJ 162, 475-484

138. Cocke, W. J. к Ferguson, D. C. 1974, ApJ, 194, 725

139. Peterson, B.A., et al. 1978, Nature, 276, 475

140. Percival, J.W., et al. 1993, ApJ, 407, 276

141. Golden, A., et al. 2000, A&A, 363, 617

142. Cordes, J. M. 1980, ApJ, 237, 216

143. Boynton, P. E., et al. 1972, ApJ, 175, 217

144. Kuiper, L., Hermsen, W., Walter, R. к Foschini, L. 2003, A&A, 411, 31

145. Rots, A.H., Jahoda, К. к Lyne, A.G. 2004, ApJ, 605, 129

146. Jones, P. B. 1988, MNRAS, 235, 545

147. Lyne, A. G., Pritchard, R. S. к Smith, F. G. 1988, MNRAS, 233, 667

148. Scott, D.M., Finger, M.H., к Wilson, C.A. 2003, MNRAS 344, 412-430

149. Nolan, P.L., et al. 1993, ApJ, 409, 697

150. Ulmer, M.P., et al. 1994, ApJ, 432, 228

151. Daugherty, J.K., Harding, A.K. 1996, ApJ 458, 278-292

152. Cheng, K.S., Ruderman, M. к Zhang, L. 2000, ApJ 537, 964-976

153. Pacini, F. 1971, ApJ 163, 17-19

154. Nasuti, F.P., Mignani, R., Caraveo, P.A. к Bignami, G.F. 1996, kkk 314, 849-852

155. Beskin, G.M., et al. 1983, Sov.Astron.Lett 9, 148-151

156. Percival, J.W., et al. 1993, ApJ 407, 276-283

157. Shearer, A., et al. 2003, Science 301, 493-495 59] Jordan, C.A. 2006, частное сообщение

158. Cadez, А. к Galicic, M. 1996, A&A, 306, 443

159. Cadez, A., et al. 2001, kkk 366, 930-934

160. Oosterbroek, T. 2006, kkk 456, 283-286 .63] Becker, W. 2006, private communication

161. Groth, E.J. 1975, ApJS, 29, 453

162. Akerlof, C. et al. 1999, Nature 398, 400

163. Vestrand, W.T., et al. 2005, Nature 435, 178

164. Vestrand, W.T., et al. 2006, Nature 442, 172

165. Yost, S.A., et al. 2006, astro-ph/0611414

166. Rykoff, E.S., et al. 2006, astro-ph/0601350

167. Nemiroff, R.J. & Rafert, B.J. 1999, PASP, 111, 886

168. Eichler, D. & Beskin, G. 2000, Phys.Rev.Lett., 85, 13

169. Liang et al. 1999, ApJL, 519, L21

170. Wu et al. 2003, MNRAS, 342, 1131

171. Doi, H., Takami, K. & Yamazaki, R. 2007, astro/ph 0701603

172. Ramirez-Ruiz, E. & Fenimore, E. E., 2000, ApJ, 539, 712

173. Piran, Т., 2004, astro-ph/0405503

174. Beskin, G., et al. 1999, A&AS 138, 589

175. Karpov, S., et al. 2005, Nuovo Cimento C, issue 04-05, pp. 747-750

176. McBreen et al., 2001, A&A, 380, L31

177. Fukujita, M., et al. 1995, PASP, 107, 945

178. Rykoff, E.S., et al. 2001, AAS, 199, 1205

179. Boer, M., et al. 1999, AAS, 138, 579

180. Burd, A., et al. 2004, astro-ph/0411456

181. Vestrand, W.T., et al. 2002, SPIE, 4845, 126

182. Zerbi, F.M., et al. 2001, Astron.Nach., 322, 275

183. Groth, E.J.1986, ApJ, 91, 1244

184. Valdes, F.G., Campusano, L.E., Velasquez, J.D., & Stetson, P.B. 1995, PASP, 107, 1119

185. Lebedev, A. & Karpov, S. 2007, in preparation. Соответствующее программное обеспечение доступно по адресу http://vo.astronet.ru/ws/wcsfix

186. Haber, J.,Zeilfelder, F., Davydov, О. & Seidel, H.-P. 2001, в "Proceedings of IEEE Visualization 2001" (Th.Ertl, K.Joy and A.Varshney, Eds.), pp.341347, 571, IEEE Computer Society

187. Calabretta, M.R., Valdes, F.G., Greisen, E.W. к Allen, S.L. 2004, "Representations of distortions in FITS world coordinate systems", черновик доступен по адресу http://www.atnf.csiro.au/people/mcalabre/WCS/

188. Описание формата доступно по адресу http: //iraf.noao.edu / projects / ccdmosaic / tnx.html

189. Bertin, E., Arnouts, S. 1996, A&AS, 117, 393. Программный пакет доступен по адресу http://terapix.iap.fr/rubrique.php?idrubrique=91 /

190. База данных орбитальных параметров спутников, публикуемая Министерством Обороны США, доступна по адресу http://www.space-track.org/

191. Агапов и др. 2006, частное сообщение

192. Barthelmy, S. "The Gamma ray bursts Coordinates Network". Общая информация о системе доступна по адресу http://gcn.gsfc.nasa.gov/

193. Hog, Е., et al. 2000, А&А, 355, 27

194. Jelanek, М., et al. 2005, GCN 3029

195. Stamatikos, M., et al. 2006, GCN 5339

196. Guarnieri, A., et al. 2006, GCN 5372

197. Sakamoto, T. et al. 2006, GCN 5886

198. Karpov, S., et al. 2006, GCN 5897

199. Zane et al. 2006, GCN 5936

200. Karpov, S., et al. 2006, GCN 5941