Неклассические проявления эволюции нейтронных звезд в двойных системах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГ6 од

О С НИ 1337

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕН!]ЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Фпщческцн Факультет Кафедра Лсгрофпшки п Звездной Астрономии

На правах рукописи УДК Ш.9

Сергей Николаевич Назин

НЕКЛАССИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭВОЛЮЦИИ НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД В ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ

(01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата физико-математинеских наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор В. М. Лппунов

МОСКВА Н;97

Работа, выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета. Московскою Государственного Университета, им М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: - д.ф.-м.н., профессор

В.М. Липу нов

Официальные оппоненты: - к.ф.-м.н. С.И. Блинников

— д.ф.-м.н., профессор В.Н. Рлденко Ведущее учреждение: — Фнзнко-технический

институт им. А.Ф. Иоффе

Защита состоится '' Л" рус^Ж'р^ 1997 г. в 14 часов на заседании Специализированного Совета. Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.. Адрес: 119899, Москва, Университетский проспект, 13, ГАИШ, конферени-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Астрономического Института им. П.К. Штернберга Московского Государственного Университета (Университетский пр., 13).

Автореферат разослан ''2Н'ШУ31997 г.

Ученый секретарь Специализированного Сонета: каш), физ.-мага. наук Л.Н. Бондаренки

Актуальность работы

Нейтронные звезды, открытые как одиночные радиопульсары [12], являются одними 1п наиболее1 интересных объектов в астрономии (подробное объяснение физики нейтронных звезд см. например у Шапиро II Тьюколски, [С]). Яркие успехи рентгеновской астрономии 70-80х годов в основном были связаны с наиболее эффектным проявлением нейтронных звезд в двойных системах - стадиен аккреции вещества [1, 2, 5, 25, 27]. Стадия аккреции оказалась наиболее хорошо изученной для компактных звезд (белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр) в двойных системах.

Однако сразу после их открытия стало ясно [7], что их проявления не ограничиваются только радиопульсарами - нейтронная звезда всегда окружена плазмой, а значит нужно учитывать всевозможные режимы взаимодействия этого вещества с замагниченной вращающейся нейтронной звездой. Эти соображения особенно ярко проявляются, если рассмотреть нейтронную звезду в двойной звездной системе [3]. Действительно, открытие рентгеновских пульсаров [26] в массивных двойных системах, рентгеновских барстеров [И] в маломассивных двойных рентгеновских системах, наконец, радиопульсаров в паре с обычными ОВ-звездами [14] явились блестящим подтверждением пионерских идей, выдвинутых В.Ф.Шварцманом [7, 8] и развитых в работах Липунова [3,16]. Таким образом, изучение неаккреционных стадий нейтронных звезд было и остается актуальной задачей.

С другой стороны, продолжались интенсивные исследования радиопульсаров, увенчавшиеся весьма важными открытиями (двойные пульсары [13]; миллисекундные пульсары [10]). В настоящее время известно около 700 одиночных пульсаров [28], около 40 двойных пульсаров (примерно половина из них находится в шаровых звездных скоплениях, где динамический захват звезд становится эффективным фактором

эволюции). Общее число пульсаров в Г;шактике оценивается в 105.

Особенно важными оказались двойные пульсары длительное слеженне за таймингом PSR 1913+1G позволило обнаружить уменьшение орбитального периода из-за уноса углового момента гравитационными волнами в блестящем соответствии с предсказаниями общей теории относительности А.Эйнштейна. Сейчас известно 5 двойных пульсаров с нейтронными звездами [24], около 15 двойных пульсаров с белыми карликами [28], 1 пульсар PSR 1259-G3 в паре с Ве-звездой [14] (еще один пульсар PSR В0042-73 открыт в Малом Магеллановом Облаке [15]). В настоящее время двойные пульсары с орбитальными периодами Р ~ 14 часов, которые способны слиться из-за гравитационного излучения за космологическое время ~ 1.5 х 1010 лет, являются важнейшим наблюдательным основанием существования сливающихся двойных нейтронных звезд во Вселенной, которые считаются одними из наиболее перспективных источников гравитационных волн для обнаружения строящимися лазерными интерферометрами LIGO, VIRGO, GEO-600 и др. [9]. Возникает вопрос: только ли сливающиеся нейтронные звезды являются источниками гравитационных волн с амплитудой, достаточной для обнаружения (h ~ 10~22) с приемлемой частотой около 1 раза в несколько лет? Этот вопрос также рассматривается в настоящей ¡заботе.

Цели и задачи диссертации

Целью настоящей работы, начатой в 1990 г., было изучение нетрадиционных астрофизических проявлений нейтронных звезд - как в двойных системах, так и одиночных. Задачей ставилось исследовать (тогда еще не открытые) пульсары в двойных системах с оптическими компаньонами - массивными ОВ- и Ве-звездами. Требовалось ответить на во-

прос, почему мало двойных пульсаров с оптическими компонентами. Ставились задача расс мотреть как еще может проявлять себя чжектпрующая нейтронная звезда и двойной системе с оптическим компонентом.

Вторая часть работы посвящается ответу на вопрос каковы могут быть гравитационно-волновые проявления нейтронных звезд (как одиночных, так н в двойных пульсарах). Ставится задача о гравитационном нзлучешш при формировании объектов типа Торна-Жптковой, когда нейтронная звезда находится на стадии с общей оболочкой с массивной звездой.

Третья часть работы связана с изучением вспышек сверхновых как источников гравитационных волн. На основе анализа наблюдамых скоростей радиопульсаров выводится реалистическая функция распределения ГВ-сигнала при вспышках сверхновых связанных с коллапсом ядер массивных звезд (II и lb). Далее, используя реалистическое распределение ба-рионной материи в ближайших окрестностях до 30 Мпк согласно каталогу Туллн [29], расчитывается ожидаемая частота ГВ-спгналов от вспышек сверхновых из этой области Вселенной с амплитудой h выше заданной.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые подробно исследованы радиопульсары в двойных системах с оптическими компонентами.

Построена модель, так называемого, "Вынужденного радиопульсатора". в которой частицы, зжектируемые пульсаром, захватываются магнитосферой нормальной звезды во время прохода пульсара через нериастр орбиты. Модель -хорошо объясняет данные наблюдений источника LSI +61°303.

Впервые показано, что наблюдаемые высокие эксцентриситеты орбит двойных систем (радиопульсар + оптический компаньон) могут быть полностью объяснены эффектами сс-

лекции, (вязанными с поглощением радиоизлучения в 'шс'Щ-ном ветре оптичес кого компаньона.

Впервые расчитано гравитационно-волновое излучение, возникающее при образовании объектов типа Торна-Житковой.

Впервые пос троена "гравитационно-волновая" карта неба, учитывающая распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых.

Научная и практическая значимость работы

Анализ эволюции двойных систем содержащих радиопульсар и нормальную компоненту показал, что наблюдаемый дефицит таких систем полностью объясняется учетом эффектов

• сокращения времени жизни радиопульсара в двойной системе из-за присутствия аккреционных потоков;

• поглощения радиоизлучения в звездном ветре нормальной компоненты;

• распада двойных систем в результате первого взрыва, за счет существования анизотропии коллапса в нейтронную звезду.

Аналнз гравитационно-волнового излучения от формирующихся объектов типа Торна-Житковой показал, что они могут быть эффективным источником гравитационых волн. Сигнал от формирующихся объектов типа Торна-Житковой может быть зарегистрирован на частотах от Ю-5 до ~ 0.1 Гц на уровне к ~ Ю-23'5 при расстоянии до источника 10 кпк.

Найдено, что для нейтронных звезд с достаточно сильным магнитным полем В > 1013 Гс может реализоваться эффект "гравитационно-волнового пульсара", связанного с анизотропией излучения нейтрино в сильных магнитных полях. Такие

"пульсары" могут порождать гравитационно-волновой сигнал с амплитудой до h-¡"¿ ~ 3 • па расстояниях ~ 10 кик на частоте вращения замагнпченной нейтронной звезды и возникают в следующих астрофизических ситуациях:

• Во время образования объектов типа Торна-Житковой, когда нейтронная звезда с сильным магнитным полем движется по спирали внутрь плотной оболочки массивного красного гиганта в тесной двойной системе.

• Во время вспышки сверхновой, когда формируется нейтронная звезда с сильным магнитным полем.

• На последней стадии слияния двойной системы содержащей две нейтронные звезды (нейтронную звезду и черную дыру), если одна из компонент обладает сильным магнитным полем.

Полученные зависимости logiV — log/¿c для гравитационно-волновых сигналов от вспышек сверхновых типа II и Ib из ближайших 30 Мпк вокруг нашей Галактики с учетом реалистической функции распределения гравитационно-волновых сигналов по амплитуде и реального распределения барион-ногО вещества в этой области Вселенной предсказывают несколько событий в год на уровне чувствительности лазерного интерферометра типа LIGO-II (h ~ Ю-23), что является важнейшим теоретическим предсказанием для гравитационно-волновой астрономии XXI века.

Положения, выносимые на защиту

1. Объяснен наблюдаемый дефицит радиопульсаров в двойных системах с оптическим компаньоном и получены аналитические оценки вклада в этот эффект

• сокращения времени жизни радиопульсара в двойной системе из-за присутствия аккреционных потоков;

• поглощения радиоизлучения в звездном ветре нормальной компоненты;

• распада двойных с истем в результате первого взрыва, за счет существования анизотропии коллапса в нейтронную звезду.

'2. Построена модель, так называемого, "Вынужденного радиопульсатора", в которой частицы, эжсктируемые пульсаром, захватываются магнитосферой нормальной звезды во время прохода пульсара через периастр орбиты. Модель хорошо объясняет данные наблюдений источника LSI +6Г303.

3. Показано, что наблюдаемые высокие эксцентриситеты орбит двойных систем (радиопульсар оптический компаньон) могут быть полностью объяснены эффектами селекции, связанными с поглощением радиоизлучения в звездном ветре оптического компаньона.

4. Расчптано гравитационно-волновое излучение, возникающее при образовании объектов типа Торна-Житковой. Показано, что кроме ГВ излучения на удвоенной орбитальной частоте погружающейся в оболочку красного гиганта нейтронной звезды, при наличии сильного магнитного поля у нейтронной звезды может возникать ГВ сигнал. промоделированный частотой вращения нейтронной звезды (т.н. ТВ-пульсар'). Это нзлученнс в принципе может быть зарегистрировано в планирующихся экспериментах по обнаружению гравитационных волн.

о. Построена "гравитационно-волновая" карта неба, учитывающая распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых. Использовалось наблюдаемое, распределение вещества в пределах ~ ЗОМпс по Каталогу Ближайших Галактик Тулли.

Карга построена для детектора, имеющего угловое разрешение 1° на частоте 1 кГц.

Апробация результатов и публикации

Результаты диссертации докладыв;шись и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. International conference он Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millennium (Snowmass, Colorado, USA, 1994)

2. КОСМИОН-94 (конференция памяти А.Д. Сахарова и Я.Б. Зельдовича) (Москва, 1994)

3. Международная конференции памяти Г.А. Гамова (Одесса, 1994)

4. Семинар "Физика нейтронных звезд" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), 1995

5. Международная школа по релятивистской астрофизике Лез Уш (Франция, 1995)

6. Международный симпозиум "Источники и Детекторы Гравитационных Волн" (Пиза, Италия, 1996)

7. K0CMH0H-9G (Москва, 1996)

8. Семинар "Физика нейтронных звезд" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе). 1997

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Lipunov Y.M., Nazi n S.N., "Ejectors in Binary Systems". In: Frontier objects in Ast.rophysic and Particle Physics, Ital. Phys. Soc., Vulcano Workshop (1993).

2. Lipuuov V.M.. Na/.iu S.N., Osmiukiti E.Yu., Piokliomv M.E., "The Biimri/ Radio-pulsar with Optical Companion". Astron. fc Astrophys. (1994), 282, 61.

3. Lipuuov V.M.. Nazin S.N.. "The Model of the Sourcc. LSI+61 ЖГ.

Astrou. & Astrophys. (1994), 289, 822.

4. Lipuuov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E., "Gravitational Wave Sky".

Astron. & Astrophys., (1995), 298, 677.

5. Naziu S.N., Postnov K.A., "Gravitational Radiation during Thome-Zytkom object formation".

Astron. fe Astrophys. (1995), 303, 789.

G. Lipuuov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E.. Postnov K.A., Prokhorov M.E.. "Gravitational Wave Sky". Astron. h Astrophys. Transaction, (1996), 10, 53.

7. Назин C.H., Постнов К.А., "Гравитационно-волновой 'пульсар' внутри объекта типа Торна-Житковой". Письма в Ас-трон. Журн. (1997). том 23. 2, 1-8.

8. Nazin S.N., Postnov К.А., "High Neutron Star Birth Velocities and Gravitatiunal Radiation during Supernova Explosions"

Astron.& Astrophys. Lett., (1997). 317, L79-L81. Личный вклад автора

В работах посвященных исследованию двойных систем содержащих радиопульсар с: оптическим компаньоном, личный вклад автора заключается в получении оригинальных аналитических оценок, объясняющих дефицит радиопульсаров в

двойных системах с оптическим компаньоном, а также н расчете эффектов селекции объясняющих высокие эксцентриситеты двойных систем типа радиопульсар + оптический компаньон.

Автором самостоятельно разработана модель, позволяющая хорошо объяснить данные наблюдений источника LSI +СГ303.

В работах, посвященных гравитационно-волновому излучению, возникающему в процессе образования объектов типа Торна-Житковой, автором проведены все расчеты и получена большая часть аналитических оценок.

Непосредственно автором были построены карты гравитационно-волнового неба, учитывающие распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации - 97 страниц; в ней содержится 24 рисунка. Список литературы насчитывает 115 наименований.

Во введении дается краткое описание проблем, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.

В первой главе приводятся общие принципы эволюции нейтронных звезд и их классификация. Исследуются пульсары в двойных системах с оптическими компаньонами - массивными 0В- и Ве-звездамн. Ставится и решается вопрос, почему наблюдается так мало двойных пульсаров с оптическими компонентами. Подробно рассмотрены системы LSI +6Г303 и PSR 1259-63. Для системы LSI +61°303 строится ц обосновывается модель "Вынужденного радиопульсатора", которая хорошо объясняет данные наблюдений этого источника. На примере системы PSR 1295-63 исследуется проблема

высоких эксцентриситетов двойных систем содержащих пульса]) с оптическим Компаньоном. Показывается, что наблюдаемые высокие •эксцентриситеты таких систем могут быть полностью объяснены эффектами < слекшш, связанными с поглощением радиоизлучения в звездном ветре оптического компаньона. Результаты, приведенные в этой главе, опубликованы в работах с участием соискателя [17, 18, 21].

Вторая глава посвящена ответу на вопрос каковы могут быть гравитационно-волновые проявления нейтронных звезд (как одиночных, так н в двойных пульсарах). Ставится задача о гравитационном излучении при формировании объектов типа Торна-Житковой, когда нейтронная звезда находится на стадии с общей оболочкой с массивной звездой. Расчитывается гравитационно-волновое излучение от таких объектов, при погружении нейтронной звезды внутрь массивной звезды, для различных моделей распределения плотности. Отдельно рассмотрен вопрос об аккреции вещества на нейтронную звезду с сильным магнитным полем в процессе такого погружения. Эти результаты опубликованы автором в работах [4, 22, 23].

Третья глава связана с изучением вспышек сверхновых как источников гравитационных волн. На основе анализа наблюдамых скоростей радиопульсаров выводится реалистическая функция распределения гравитационно-волнового сигнала при вспышках сверхновых связанных с коллапсом ядер массивных звезд (И и 1Ь). Далее, используя реалистическое распределение барионной материи в ближайших окрестностях до 30 Мпк согласно каталогу Тулли [29], расчитывается ожидаемая частота ГВ-сигналов от вспышек сверхновых из этой области Вселенной с амплитудой /г выше заданной. Эти результаты опубликованы автором в работах [19, 20].

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю В.М. Лппужшу за постановку задач, чуткое руководство н внимание к моей работе. Также автор благодарит К.А. Постнова, М.Е. Прохорова, и других коллег in отдела Релятивистской Астрофизики ГАИШ, за интересные идеи, совместную работу и многочисленные полезные советы, а также Л.П. Грищука, Ю.Э. Любарского, Д.Г. Яковлева и B.C. Бескпна за плодотворные дискуссии. Также автор благодарит Соросовскую образовательную программу 1996 года, Российский Фонд Фундаментальных Исследований. Американское Астрономическое общество, ИНТА С и цент]) "КОС-МИОН" за финансовую поддержку исследований вошедших в данную диссертацию.

Литература

[1] Зельдович Я.Б., 19G4, Доклады Академии Наук УССР 155,G7

[2] Зельдович Я.Б., Шакура Н.И., 1969, Астрой. Жури. 46, 225

[3] Липунов D.M., 1987, "Астрофизика нейтронных звезд", Москва, Наука

[4] Назин С.Н., Постнов К.А., 1997, Письма в Асгпрон. Журн. том 23, 2, 1-8

[5] Шакура Н.И., 1972, Астрой. Журн. 49, 921

[6] Шапиро С., Тькжолски С.,

1985, "Черные Дыры, 'Белые Карлики и Нейтронные Звезды", Москва, Мир

[7] Шварцман В.Ф., 1970, Радиофизика 13, 1852

[8] Шварцман В.Ф., 1971, Астрой. Жури. 48, 438

[9] Abramovici А., et al., 1992, Science 256, 325

[10] Backer D.C., et al., 1982, Nature 300. 615

[11] Grind lay J.E., et al., 1976. Astroph. J. Lett. 205, L127

[12] Hewish A., et al., 1968, Nature 217, 709

[13] Hülse R.A., Taylor J.H., 1975, Astroph. J. 195, 51

[14] Johnston S., et al., 1992, Astroph. J. 387. L37

[15] Kaspi V.M., et al., 1994, Astroph. J. 423. L43

[16] Lipunov V.M., 1982, Ap&SS 82, 343

[17] Lipunov V.M., Nazin S.N., 1993, "Ejectors in Binary System". In: Frontier objects in Astrophysic and Particle Physics, Ital. Phvs. Soc., Vulcano Workshop.

[18] Lipunov V.M., Nazin S.N., 1994, Astron. & Astroph. 289, 822

[19] Lipunov V.M., Nazin S.N., Pancheiiko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E.. 1994, Astron. & Astroph. 298, 677

[20] Lipunov V.M., Nazin S.N., Pancheiiko I.E., Postnov K.A., Prokhorov M.E.. 1996, Astron. & Astrophys. Transaction 10, 53

[21] Lipunov V.M., Nazin S.N., Osminkin E.Yu., Prokhorov M.E., 1994, Astron. & Astroph. 282, 61

[22] Nazin S.N., Postnov K.A., 1995, Astron. & Astroph. 303, 789

[23] Nazin S.N., Postnov K.A., 1997, Astron.& Astrophys. Lett. 317, L79-L81

[24] Nice D.J., Saver R.W., Taylor J.H., 1996, Astroph. J. Lett. 466, 1

[25] Novikov I.D.. Thorne ICS., 1973, in Black Holes, ed. C. De Witt and D.S. De Witt, New York: Gordon and Breach, p.43

[26] Schreier E.. et al., 1972, Astroph. J. Lett. 172, L79

[27] Shakura N.I., Sunyaev R.A., 1973, Astron. & Astroph. 24, 337

[28] Taylor J.H., ot al.. 1996, Astroph. J. 461, 812

[29] Tully R.B., 1988. Nearby Galaxies Catalog. Cambridge Univ. Press.