Открытие ярких транзиентных источников спутником Гранат и перспективы их поляриметрических исследований спутником Спектр-Рентген-Гамма тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1

на правах рукописи

Лапшов Игорь ГОрьев1п

ОТКРЫТИЕ ЯРКИХ ТРАНЗИЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СПУТНИКОМ ТРАНАГ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПУШИКОМ "СГ1ЕКТР-РЕНТГЕН-ГАММА".

01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1994

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель - академик Р.АХюнясв

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. А.М. Черепащук (Государственный астрономический институт им. Штернберга при МГУ)

доктор физико-математических наук, проф. А.М. Гальпер А.М. (Московский инженерно-физический институт)

Ведущая организация:

Физический институт Российской Академии Наук им. П.НЛебедева (Отделение оптики)

Защита диссертации состоится Ялскабрж_1224 г. в _ / ' часов на заседании специализированного совета К002.94.01 при Институте космических исследований РАН по адресу: Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан _ ¿7. // 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета K002.94.0l

мвдндат физико-математических наук ' Титов Д.В.

1 Общая характеристика работы Актуальность темы и цель работы

Задача наблюдения за всем небом с целью поиска новых рентгеновских источников и монкторирования поведения известных истоЧтпсов рентгеновского излучения была актуальной с момента зарождения внеатмосферной рентгеновской астрономии. Она остается актуальной и по сей день, но на более высоком качественном уровне.

Первый значительный вклад в обзоры неба был сделан спутником "Ухуру", запущенным в 1970 году. По данным спутника был составлен первый полный каталог рентгеновских источников с потоками выше 2мКраб. Затем последовали обзоры неба спутников серии "Vela" и "Ариель 5", которые несли на борту специализированные для этих целей приборы - приборы для наблюдения за всем небом (Ail Sky Monitors). Однако, если на более ранних стадиях развития рентгеновской астрономии основными задачами таких приборов было создание каталогов рентгеновских источников (постоянных либо транзиентных),, то со временем прибавилась задача оповещения астрономов об активности источников на рентгеновском небе. Прибор для наблюдения за всем небом японского спут-, ника "Гинга" неоднократно сообщал о появлении на небе новых рмптеновсхих источников, которые исчезали через несколько месяцев или недель. Эти данные использовались для наведения инструментов модуля "Квант" и проведения детального исследования источников в широком диапазоне энергий.

В настоящее время на орбите работают два прибора для наблюдения sa всем небом - инструмент ВОТЧ российского спутника "Гранат" и нрибор БАТСЕ американской Обсерватории Гамма-лучей (ГРО). Оба инструмента уже внесли значительный вклад в задачу обнаружения новых рентгеновских источников и

оперативного оповещения о произошедшем события астрономов, работающих в других диапазонах электромагнитного спектра. За такими сообщениями следовали наблюдения в очень широком диапазоне длин волн - от радио до гамма-диапазона.

Такая характеристика прибора для наблюдения за всем небом как способность длительного и практически непрерывного мониторирования больших областей неба позволяет не только обнаруживать новые рентгеновские источники, но и исследовать поведение известных источников рентгеновского излучения на больших временных интерчалах. Так, в частности, нами наблюдается изменение скорости вращения ярких рентгеновских пульсаров в двойных системах, а также изменение орбитального периода источника 4Ш700-37.

Характерной особенностью приборов, обозревающих все небо, является обнаружение ими аномально ярких объектов на небе, что позволяет проводить детальные исследования их физических свойств и параметров. Так, в состав международной орбитальной обсерватории "Спегар-Ренгген-Гамма", планируемой к запуску в 3996 году, войдет прибор МОКСЕ, обозревающий все небо. Благодаря работе этого прибора Международный Научный Комитет рассчитывает наблюдать до пяти транзиентных (вспыхивающих на время) источников с потоком, значительно превышающим поток от Крабовидной туманности. Большинство из этих объектов, как показал предыдущий опыт, должно быть кандидатами в Черные дыры и рентгеновскими пульсарами -сильно эамагниченными нейтронными звездами, излучение которых должно быть сильно поляризовано. Это открывает возможность исследований поляризации рентгеновского получения аккреционных дисков и замагниченной плазмы в основаниях аккреционных колонок вблизи магнитных поясов нейтронных звезд.

В настоящее время идет подготовка комплекса научной аппаратуры нового российского спутника астрофизики высоких энергий "Спсктр-Рентгсм-Гамма". Одним из инструментов проекта будет рентгеновский поляриметр. БХИР. Он будет установлен в фокусе рентгеновского телескопа косого падения СОДАРТ. Телескоп СОДАРТ создается на основе конического приближения к схеме рентгеновских телескопов типа "Волтер-Г. До настоящего времени поляриметрические наблюдения рентгеновских источников проводились лишь несколько раз во время спутниковых и ракетных полетов. Они дали информацию о степени поляризации излучения Крабовидной туманности, пульсара в Крабовидной туманности, источников Лебедь Х-1 и Лебедь Х-3 и ряда других. Планируемый к запуску прибор вХЯР будет обладать гораздо более высокой чувствительностью, чем предыдущие инструменты. Он будет также первым прибором такого типа, установленным в фокусе рентгеновского телескопа. В этой связи является актуальной задача понимания всех аспектов работы прибора БХЯР, в частности влияния сходимости и положения рентгеновского пучка на входе прибора на точность его работы, влияния самих зеркальных систем, телескопа на степень поляризации регистрируемого излучения и др.

Одним из подходов к решению згой проблемы является всестороннее математическое моделирование работы прибора в составе телескопа. Дело в том, что проведение детальных рентгеновских калибровок не всегда представляется возможным. Это связано как с чисто техническими, так и с финансовыми трудностями. Кроме того, математическое моделирование работы прибора позволило упростить конструкцию ряда систем такого сложного инструмента, как тьнескоп СОДАРТ.

Научная новизна и практическое значение работы

Прибором БОТЧ был открыт и исследован ряд рентгеновских источников, в число которых входят рентгеновские Новые GRS1124-68 в созвездии Мухи (1991г.) и GRS1009-45 в созвездии Парусов (1993г.), рентгеновский пульсар в двойной системе GRS0834-43, а также рад короткоживущих мягких рентгеновских транзиентов. Сообщения об открытии и предварительная локализация прибором ВОТЧ рентгеновских Новых позволила провести их точную локализацию и детальные исследования с помощью как наземных оптических и радио обсерваторий, так и посредством орбитальных обсерваторий ' астрофизики высоких энергий "Гранат", "Квант", "Гинга", "Росат", "ГРО", "Аска". Для источника QRS0834-43 по повторяемости венышех была предсказала величина орбитального периода ("111 дней), которая оказалась близкой к впоследствии определенной и уточненной с помощью других инструментов.

• С помощью прибора ВОТЧ было проведено исследование рентгеновского пульсара в двойной системе Паруса Х-1 и тесной двойной системы 4U170Q-37. Для Парусов Х-1 получены значения собственного периода вращения пульсара за 1990-1993 гг. Для источника 4U1700-37 вычислено изменение орбитального периода двойной системы.

Проведено исследование рентгеновской Новой в созвездии Лисички 1988г. по данным прибора ГСПС на модуле "Квант".

Проведено моделирование работы прибора SXRP проекта "Спектр-Рентген-Гамма*. Показана принципиальная возможность работы прибора при ошибках наведения спутника на источник до 4 угловых мшгут. Это позволило внести изменения в конструкцию телескопа СОДАРТ и уменьшить общую стоимость этого инструмента. Разработан метод аналитического описания работы SXRP , псстоляюи'иЛ предсказывать вид модуляции выходного сигнала в зависимости от

геометрии инструмента, формы и энергии входного рентгеновского, пучка, положения пучка на входе прибора SXRP .

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Обнаружение и наблюдения трех рентгеновских Новых по данным обсерватории "Гранат" и модуля "Кваот".

2. Открытие рентгеновского пульсара GRS0834-43.

3. Обнаружение жесткого излучения рентгеновской Новой GRS1009-45 за несколько часов до появления мягкой компоненты.

4. Результаты временного анализа двух массивных рентгеновских двойных систем: Парус Х-1 и 4U1700-37.

5. Открытие и локализация прибором ВОТ! трех мягких короткоживущих рентгеновских транзиентов.

6. Создание аналитической модели прибора "Фокальный рентгеновский поляриметр" проекта "Спектр-Реитген-Гамма".

7. Результаты математического моделирования работы прибора "Поляриметр" н составе телескопа СОДАРТ проекта "Спекгр-Ренттен-Гамма".

Апробация работа

В основу диссертации положены результаты 9 научных работ, опубликованных в 1988-1994 гг. Эти результаты докладывались на пленарных заседаниях КОСПАР (Гаага, 1990г.; Вашингтон, 1992г.; Гамбург, 1994г.)и на конференции Американского общества оптического приборостроения SPIE (Сан Диего, 1993г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из предисловия и трех частей, каждая из которых имеет заключение и список литературы. Объем работы составляет 80 страниц, она содержит 2 таблицы и 23 рисунка.

2 Содержание работы

Первая часть работы посвящена результатам, полученным прибором ВОТЧ обсерватории "Гранат". Здесь мы приводим краткое описание спутника и инструмента ВОТЧ, используемого в качестве прибора для наблюдения за всем небом. Приведены также описания вращающегося модуляционного коллиматора и математических методов, положенных в основу программ, используемых для обработки информации прибора ВОТЧ. В качестве основного метода для обнаружения новых рентгеновских источников нами используется метод кросс-корреляции с последовательным вычитанием ярких источников из данных прибора. Это позволяет обнаруживать до пяти ярчайших источников в поле зрения каждого из трех работающих детекторов прибора ВОТЧ. Кроме того, используются метод фитирования яркости источников по известным координатам для построения кривых блеска. Временной анализ проводится с помощью набора стандартных процедур таймингового анализа. Этот анализ позволяет измерять периоды вращения ярчайших рентгеновских пульсаров.

Основные результаты можно разбить на три группы: двойные системы, рентгеновские Новые и короткоживущие рентгеновские транзиенты.

В числе относящихся к первой группе мы рассматриваем три источника: Парус Х-1, 01180834-43 и 4Ш700-37. Парус Х-1 является ярчайшим рентгеновским пульсаром, практически постоянно доступным для наблюдений прибором ЮТЧ. Мы проводили измерения'скорости вращения пульсара в течение всего периода работы прибора ВОТЧ. В данной работе приведены

данные таких измерений, полученные для периода 1990-1992 гг. Показано, что в течение этого периода скорость вращения пульсара постоянно уменьшалась.

Источник QRS0834-43 был открыт прибором ВОТЧ в 1991 году (Лапшов и др., 1992). В течение нескольких лет мы регистрировали периодические вспышки от этого источника. Попытка определить периодичность таких вспышек дала величину 111 дней. Приборы обсерваторий "Гранат", "Гинга" и "Росат" провели точную локализацию этого источника и определили, что он является рентгеновским пульсаром с периодом ~12 секунд- Обсерватория Гамма-лучей ТРО" определила, что источник является двойной системой и се параметры. Орбитальный период пульсара оказался близким к 109 дням. Это практически подтвердило, полученное нами несколькими годами ранее значение.

Во время вспышек источник 4U1700-37 является одним из ярчайших источников, доступным для наблюдений прибором ВОТЧ. Мы зарегистрировали много вспышек от этого источника продолжительностью в несколько дней. Так как орбитальный период источника составляет 3,412 дня, то мы могли также наблюдать вхождение источника в затмение и его выход из затмения в течение одной вспышки. Это позволило точно определить орбитальный период 4U1700-37 в 1992 году и подтвердить факт уменьшения орбитального периода источника с темпом-4113»10"4rofl-!.

При рассмотрении результатов, полученных прибором ВОТЧ по наблюдениям рентгеновских Новых, безусловно, наиболее важным является сам факт обнаружения нового источника и его быстрая локализация. В случае двух рентгеновских Новых, открытых прибором ВОТЧ - ORS1124-68 (Новая в Мухе, 1991) и GRS1009-45 (Новая в Парусе, 1993), оперативные сообщения о произошедшем событии позволили проводить наблюдения этих источников в широчайшем диапазоне энергий с использованием наземных и орбитальных обсерва-

торий. Особенностью прибора ВОТЧ является его энергетический диапазон 8-бОкэВ. Дело в том, что большинство рентгеновских Новых, открытых в течение последних десяти лет, обладают двухкомпонснтным спектром, причем мягкая компонента характерна для температур в десятки миллионов градусов, а высокая - порядка миллиарда градусов. Перелом спектра таких Новых наблюдается, как правило, в районе ~10 кэВ. Таким образом, прибор ВОТЧ способен регистрировать обе спектральные компоненты излучения Новых. Наиболее интересным в этой связи представляется факт открытия Новой 01151009-45, когда было обнаружено излучение в канале >20кэВ на несколько часов ранее, чем в более мягком канале.

В данной работе мы приводим результаты локализации и кривые блеска трех мягких короткоживущих рентгеновских транзиентов. Особенностью таких источников является небольшое время жизни - от нескольких часов до нескольких суток, характерная форма вспышки с коротким фронтом нарастания и плавным падением яркости, мягкость спектра, приводящая к тому, что источник наблюдается лишь в мягком канале <20 кэВ. Наблюдения этого класса источников показывают, что будущие приборы для наблюдения за всем небом должны работать как в жестком диапазоне энергий , так и в стандартном рентгеновском диапазоне меньше 10 кэВ с тем, чтобы быть чувствительными к такого рода событиям.

Вторая часть работы посвящена результатам наблюдений рентгеновской Новой в созвездии Лисички 1988 года с модуля "Квант". Рентгеновская Новая была открыта японским спутником "Гинга" в апреле 1988 г. Наблюдения модулем "Квант", начавшиеся в мае 1988г., позволили нам зарегистрировать Новую и выявили в се спектре две составляющие: мягкую с температурой излучения около 20 млн. градусов, открытую ранее спутником "Гинга", и жесткую, прости-

рающуюся до 300 кэВ и соответствующую температурам порядка миллиарда градусов. Обнаружение жесткого хвоста, а также совокупность оптических и радиоданных позволили отнести рентгеновскую Новую в Лисичке в число реальных кандидатов в Черные дыры. В данной работе мы приводим результирующий спектр Новой по данным всех приборов обсерватории "Рентген" на модуле "Квант".

В третьей части приведены результаты математического моделирования фокального рентгеновского поляриметра ЯХЯР проекта "Спектр-Рентген-Гамма". Прибор ЭХЯР состоит из двух частей, чувствительных к поляризации падающего рентгеновского излучения: брэгговского графитового поляриметра и литиевой рассеивающей мишени. Первая использует зависимость коэффициента брэгговского отражения от поляризации падающих фотонов, вторая - анизотропию том-соновского рассеяния в плоскости, перпендикулярной направлению падающего излучения. Поляриметр установлен в фокальной плоскости рентгеновского ^телескопа СОДАРТ. Это означает, что на вход прибора вХЯР падает сходящийся концентрированный поток фотонов.

В работе рассматриваются общая теория и методы моделирования рентгеновских телескопов на тонких фольгах, к которым относится телескоп СОДАРТ. Мы также рассматриваем влияние отражения излучения зеркальными системами на поляризацию излучения. В частности показано, что в принципе такое отражение вносит изменения в степень поляризации отражаемого потока. Однако абсолютная величина изменения довольно мала и составляет ~0,02%. Эта величина намного меньше, чем минимально регистрируемая поляризация прибора БХЛР и этим эффектом можно пренебречь. Тем не менее данный результат представляет интерес с той точки зрения, что в принципе оказывается возмож-

ным проводить поляризационные измерения ярких рентгеновских источников бе- - использования специализированных инструментов.

Далее в работе исследуется теория рассеяния поляризованных рентгеновских фотонов в литиевой мишени прибора ЭХЯР. Наличие фокального пятна на входе прибора приводит к тому, что регистрируемая модуляция сильно зависит от положения фокального пятна относительно оптической оси поляриметра и от энергии падающих рентгеновских фотонов. Общепринятые методы обработки информации таких приборов с использованием фурье-анализа оказываются недостаточно надежными в условиях смещения фокального пятна относительно оптической оси. Нами разработан метод обработки информации прибора БХЯР на осноие построения аналитической модели рассеяния фотонов. Он позволяет обойти 1рудности, связанные с ошибками наведения. Мы приводим описание этого метода и результаты математического моделирования, показывающие точность восстановления поляризации падающего потока по сравнению с фурье -анализом.

я

Основные выводы и результаты диссертационной работы

1. Открыты и локализованы две рентгеновские Новые : Новая в Мухе 1991 года и Новая в Парусе 1993 года.

2. Обнаружен жесткий хвост в спектре рентгеновской Новой в Лисичке 1988 года.

3. При наблюдениях Новой в Парусе 1993 года обнаружено, что вспышка на энергиях более 20 кэВ на несколько часов опережает вспышку на более низких энергиях. Это косвенно подтверждается также нашими наблюдениями Новой в Мухе 1991 года, когда мы регистрировали быстрое падение потока жесткой компоненты, в то время как мягкая еще росла, либо была постоянна.

4. Открыт рентгеновский пульсар GRS0834-43 (GRANAT Source) и оцеигна периодичность его вспышек, равная 111 дням. Впоследствии обсерваторией Гамма-лучей было определено, что источник является массивной двойной системой с орбитальным периодом 109 дней, что подтвердило нашу оценку периодичности вспышек.

5. Обнаружено уменьшение орбитального периода двойной системы 4U1700-37 в темпе Р/ Р ш -(А, 13 ± 0,19; • КГ6 лм"1

6. Проведены измерения периода пульсаций Паруса Х-1 в течение длительного периода времени. Обнаружено монотонное замедление скорости вращения пульсара.

7. Открыты три мягких короткоживущюс рентгеновских транэиенгных источника с временами жизни от нескольких часов до нескольких суток.

8. Проведено математическое моделирование работы фокального рентгеновского поляриметра SXRP в составе телескопа СОДАРТ проекта "Спектр-Рентген-Гамма". Показано, что прибор позволит проводить поляризационные измерения при ошибках наведения спутника СРГ на источник до 4,5 угл. минуты. Это позволило снизить требования к ряду систем телескопа СОДАРТ и спутника СРГ.

. 9. Разработана и апробирована аналитическая модель литиевой рассеивающей мишени прибора SXRP . На ее основе разрабатывается математическое обеспечение для научной обработки данных этого прибора. Данный подход более эффективен, чем использовавшийся ранее метод фурье-анализа для обработки данных рентгеновских поляриметров.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сюняев Р.А., Лапшов И.Ю., Гребснев С.А., и др.

Обнаружение жесткой компоненты излучения в спектре рентгеновской Новой в созвездии Лисички. Предварительные результаты модуля "Квант"// Письма в АЖ. 1988. Т.14. N9. С. 771-786.

2. Лапшов И.Ю., Матвейшин К.Б.

Математическое моделирование рентгеновского телескопа с коническими зеркалами.//

Препринт ИКИ АН СССР. 1989. Пр-1447. С. 1-29.

3. Лапшов И.Ю., Дремин В.В., Сюняев Р.А., Брандт С., Лунд Н., Кастро-Тирадо А.

Наблюдения рентгеновской Новой в созвездии Мухи прибором ВОТЧ.// Письма в А.Ж. 1992. Т.18. N1. С. 3-10.

4. Лапшов И.Ю., Дремин В.В., Сюняев Р.А., Брандт С., Лунд Н. Открытие и предварительные результаты наблюдений транзиентного рентгеновского источника ORS 0834-43 прибором ВОТЧ обсерватории "Гранат".// Письма в А.Ж. 1992. Т.18. N 1. С. 30-36.

5. Лапшов И.Ю., Сюняев F.A., Чичков М.А., Дремин В.В., Брандт С., Лунд Н. Два года наблюдений рентгеновского пульсара Парус Х-1 прибором ВОТЧ обсерватории "Гранат".//

Письма в А.Ж. 1992. Т.18. N 1. С. 37-45.

6. Сазонов С.Ю., Лапшов И.Ю., Сюняев Р.А., Брандт С., Лунд Н., Кастро-Тирадо А.

Результаты наблюдений рентгеновского источника 4U1700-37 прибором ВОТЧ

обсерватории ГРАНАТ.//

Письма в А.Ж. 1993. Т. 19. N 8. С. 675-685.

7. Сазонов С.Ю., Лапшов И.Ю., Сюняев Р.А., Брандт С., Лунд Н., Кастро-Тирадо А.

Открытие короткоживущего рентгеновского источника ORS 1724+21 прибором ВОТЧ обсерватории "Гранат".// Письма в А.Ж. 1994. Т.20. N 1. С. 5-6.

8. Лапшов И.Ю., Сазонов С.Ю., Сюняев Р.А., Брандт С., Кастро-Тирадо А., Лунд Н.

Открытие и наблюдения жесткого транзиентного рентгеновского источника GRS1009-45 прибором ВОТЧ обсерватории "Гранат".// Письма в А.Ж. 1994. Т.20. N 4. С. 250-252.

9. Lapshov I.Yu., Kaarct Р.Е., Novick R.

Stellar X-Ray Polarimeter and the Spectrum-X-Gamma mission.//

in X-Ray and Ultraviolet Poiarimetry, Silvano Finesclii, Editor, Proc. SPIE. 2010. С

12-21 1994.