Рентгеновская спектроскопия эллиптических галактик и компактных источников тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

на правах рукописи

Г Б ОД 7 ОПТ 1996

Финогенов Алексей Витальевич

РЕНТГЕНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ГАЛАКТИК И КОМПАКТНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1996

Работа выполнена с Институте космических исследований РАН

Научный руководитель:

-кандидат физико-математических наук Чуразов Евгений Михайлович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Лозинская Татьяна Александровна доктор физико-математических наук Чугай Николай Николаевич

Ведущая организация:

Казанский Государственный Университет

Защита диссертации состоится 1996г. в /2 :

часов на заседании диссертационного совета К 002.94.01 о 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 ^^Ах 1996г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 002.94.01 -

кандидат физико-математических иаук Д.В. Титов

I Общая характеристика работы Актуальность темы

Галактики раннего типа (эллиптические и линзовидные) относятся к наиболее старым звездным системам, пережившим длительный этап звездообразования. Результаты наблюдений в оптическом и рентгеновском диапазоне показали, что небольшие галактики с массой менее 10пМм образовались путем гравитационного коллапса первичного облака газа, тогда как галактики-гиганты образовались а результате слияния нескольких галактик. 8 процессе формирования галактик раннего типа происходило постеленное обогащение среды з результате ядерного синтеза при вспышках Сверхновых (СН). Одновременно выход энергии при вспышках СН, а также потеря оболочек тяжелыми звездами приводит к установлению галактического ветра, вследствие чего галактика теряет богатый тяжелыми элементами газ и прекращается формирование звезд. Поскольку время жизни тяжелых звезд мало по сравнению со временем эволюции галактик, к настоящему времени в галактиках раннего типа не осталось звезд тяжелее Солнца и темп вспышек Сверхновых значительно снизился. Как следствие, в массивных галактиках произошел переход от потери газа к установлению потоков охлаждения. При этом состав газа формируется за счет потери вещества звездами и выбросов вспышек СН 1а. Потерянный в ранние эпохи эволюции галактик газ задерживается а гравитационном потенциале групп и скоплений.

Температура газа в галактиках раннего типа, группах и скоплениях галактик порядка 10т~8 К, что позволяет определить обилие тяжелых элементов по рентгеновскому излучению. С запуском обсерватории ASCA стали доступны данные наблюдений многих галактик и скоплений с хорошим спектральным разрешением при наличии ощутимого пространственного разрешения. Предварительный анализ данных обнаружил много проблем с объяснением измеренных обилий тяжелых элементов. Например, темп вспышек СН 1а получается в десятки раз ниже величины, измеряемой по оптическим поискам Сверхновых. Кроме того, ставилось под сомнение высокое содержание железа в звездах эллиптических галактик. Обзор современных проблем мо-

жат быть найден в работе Arimoto е/ а/. (1996, preprint Astro-ph).

В данной диссертации разработана методика проведения пространственно-разрешенной спектроскопии данных обсерватории ASCA и проведено сравнение полученных данных для галактик раннего типа по обилиям кремния, серы и железа с результатами последних оптических наблюдений. Показано, что рентгеновские данные находятся в отличном согласии с предположением о высоком содержании железа в звездах ядра галактики и подтверждают существование градиентов обилий тяжелых элементов. Оценки скорости вспышек Сверхновых 1а из рентгеновских наблюдений, полученные двумя методами, описанными в диссертации, согласуются с результатами оптического поиска СН.

В диссертации также приводится детальное исследование содержания железа в горячем газе галактик раннего типа скопления в созвездии Дева. Показана связь низкого обилия железа, найденного в газе этих галактик, с абляцией газа галактик динамическим давлением среды скопления.

Наиболее полный обзор галактик раннего типа на сегодняшнее время был проведен обсерваторией "Einsfein". Этот набор данных характеризуется большим разбросом рентгеновских светимостей галактик при одинаковой оптической светимости. В многочисленных моделях, пытающихся объяснить этот эффект, большое значение имеет длительность фазы истечения газа из галактики. Определение обилий тяжелых элементов в группах галактик, приведенном в данной диссертации, позволяет впервые измерить длительность этой фазы.

Другой интересной темой, затронутой в диссертации, является природа рентгеновского излучения активных ядер галактик и Новых. Наблюдения NGC4151 и Новой в Персее 1992, описанные в данной диссертации, свидетельствуют о наличии теплового механизма излучения у этих объектов. Также показано, что объекты со спектром, подобным NGC4151, могут воспроизвести рентгеновский фон в диапазоне энергий 10-100 кэВ, то есть объекты с тепловой моделью излучения скоре всего доминируют в суммарном спектре.

Цель работы

Цель работы заключалась а определении распределения магния, кремния и железа на основе рентгеновских наблюдений горячего газа о короне эллиптических и линзооидных галактик. По данным обсерватории "Einstein", типичная температура газа а корсне галактик раннего типа составляет ~ 10т К. Эта температура приводит к излучению квантов с К-оболочки магния и кремния, и L-оболочки железа, наблюдаемому о диапазоне телескопов ROSAT и А5СА (0.2-2 кэВ). Линии других элементов, например неона, аргона, детектируются слабее при их солнечном отношении обилий к кремнию, поэтому изучение их распределения возможно только при большой длительности наблюдений или в системах с несколько более высокой температурой газа (некоторые скопления галактик).

Целью анализа наблюдений NGC4151 и GRO J0422+32 обсерваторией ГРАНАТ было определение природы излучения этих объектов, связь между параметрами излучения, а также возможность формирования рентгеновского фона за счет излучении далеких объектоа со спектром близким к спектру NGC4151.

Целью проведения спектроскопии радиога~актики Cen А является датальное исследование флуоресцентной линии железа.

Научная новизна

Разработка методов и проведение пространственно-разрешенной спектроскопии диффузного рентгеновского излучения галактик раннего типа и групп, позволило определить градиенты обилий кремния, серы и железа. По этим данным были получены оценки на тзмп вспышек СН la и определено содержание кремния а звездах на расстояниях от одной до десятков угловых минут от центра галактики, где оптических данных не существует. По результатам наблюдений групп галактик получены важные ограничения на длительность этапа истечения вещества из эллиптических галактик — важного показателя любой теории возникновения рентгеновского излучения галактик раннего типа и скоплений галактик.

Анализ наблюдений NGC4151 и GRO J0422+32 обсерваторией ГРА-

HAT доказал тепловую природу излучения этих объектов. Показаны связь между rwpr »етрами излучения, а также место теплового механизма з излучении объектов составляющих рентгеновский фон.

Анализ профиля линии железа Ка в спектре радиогалактики Сеп-tauais А привел к обнаружению особенности на энергии 6.5 кэВ. Предложена интерпретация наблюдаемой особенности как флуоресцентной линии от ионизованного железа.

Практическая ценность работы

Результаты локализации Новой в созвездии Орел, приведенные а данной работе, использовались для последующего поиска оптической компоненты. Детальные исследования спектральной переменности Новой в созвездии Персей дают материал, необходимый для моделирования аккреционных дисков Новых.

Обнаружение линий ионизованного железа а Сел А дает новый метод исследования ионизационного состояния областей широких эмиссионных линий, особенно важный для Сейфертовских галактик второго типа.

Полученные оценки для галактик раннего типа по темпам вспышек Соерхнооых и длительности фазы истечения газа являются фундаментальными. Результаты наблюдений эллиптических галактик и групп галактик будут использованы для составления программы наблюдений телескопов обсерватории СПЕКТР-РЕНТГЕН-ГАММА.

Основные положения, выносимые на

защиту

1. Детальный анализ рентгеновского излучения газа в короне га-гакти« раннего типа. Построение профилей температур, массы газа и обилий железа, кремния и серы для галактик NGC5846, NGC4649, NGC4472 и групп галактик NGC5044, HCG051, HCG062.

2. Определение темпа вспышек Сверхновых тгипа 1а о эллиптически» галактиках ма основании рентгеновских наблюдений горячего газа в короне галактик NGC5846 и NGC4472.

3. Определение содержания кремния и серы в звездах эллиптических галактик на расстояниях от одной до десятков минут от центра галактики.

4. Исследование роли Сверхновых различных типов на ранних этапах формирования галактики по данным рентгеновских наблюдений горячего газа в группах галактик.

5. Исследование влияния окружающей среды на содержание газа в галактиках, на примере исследования рентгеновского излучения галактик М86 и N604649 скопления в созвездии Дева.

6. Исследование спектральной переменности спектра Сейфертоз-ской галактики с низкой радиосветимостью N004151 по данным телескопов АРТ-П и СИГМА.

7. Способность далеких объектов со спектром, подобным N004151, воспроизвести рентгеновский фон в диапазоне энергий 10-100 кэВ.

8. Обнаружение линий ионизованного железа в спектре радиогалактики Сег^аиги: А.

9. Продолжительный мониторинг рентгеновского транзиента С1Ю Ю422+32 в созвездии Персей телескопом СИГМА. Определение кривой блеска и исследование жесткой и мягкой компонент рентгеновского излучения 0(Ю .10422+32 а диапазоне 40600 кэВ.

10. Локализация и построение спектра рентгеновского транзиента 01?51915+105 по данном телескопа СИГМА.

Апробация работы

'езультаты диссертации представлялись на ассамблеях КОСПАР (Гам-¡ург, 1994г.; Бирмингем, 1996г.), международной конференции по Сверхновым (Пущино, 1996г.), международной конференции по рент-еновской астрономии, посвященной третьей годовщине работы об-:ерватории А$СА (Токио, 1996г.), а также докладывались на семина-

pax Смитсонианской Астрофизической Обсерватории (США), Инст> тута им. Пола Шерера (Швейцария), Бирмингемского Университет (Великобритания). По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем

Диссертация общим объемом ^страниц состоит из введения, сем! глаз, объединен .ыя в четыре части, каждая из которых имеет за ключение и список литературы (всего/^наименований) «■. содержи SS рисунка.

2 Содержание работы

Во Введении сформулированы проблемы, обсуждаемые в диссертации, кратко описаны основные результаты и структура.

Часть | посвящена исследованию темпов вспышек Сверхновых пс содержанию тяжелых элементов в межзвездной среде галактик раннего типа и групп галактик, основанному на анализе данных наблюдений приборов обсерватории ASCA и ROSAT.

В Гпене 1 приведено описание приборов обсерватории ASCA и ROSAT, данные наблюдений которых использовались в диссертации. Приведены схема обработки данных этих обсерваторий, а также новые методы, введенные для построения карт температур и обилий элементов по данным ROSAT PSPC, и учет функции отклика на точечный источник телескопов обсерватории ASCA в спектральном анализе.

В Гпаве 2 исследуется диффузное рентгеновское излучение галактик раннего типа NGC5846 и NGC4472. По данным наблюдений ROSAT PSPC и ASCA SIS получены карты и профили температур, вычислены градиенты обилий кремния, серы и железа и проведено сравнение результатов с данными наблюдений оптических спектрографов. Полученные оценки позволяют заключить, что градиенты обилий элементов в звездах эллиптических галактик, наблюдаемые в оптических измерениях на расстояниях от центра менее 1', остаются такими же кру .ыми и дальше, вплоть до расстояний о несколько

о

десятков минут. Из рентгеновских измерений количества железа мы делаем заключение о темпе вспышек СН 1а в эллиптических галактиках. При использовании значений Н„ = 50 км с-1 Мпк-1, выхода железа при вспышке одной СН 1а равным 0.7Мо и единицы темпа вспышек Сверхновых, SNU (1 соб. (100 лет)-1 Ьц/1010), рентгеновские данные дают значения 0.04 SNU, исходя из измеренной массы железа и предположении об установлении потока охлаждения по истечении 9 биллионов лет. При использовании измеренного обилия железа, оценки на темп вспышек Сверхновых равны 0.02 и 0.03 SNU для соответственных наклонов начальной функции масс 1.35 и 0.7. Для сравнения, данные оптического поиска (Cappellaro, Turafo, Benefti, Tsvefkov, Bartynov, Makarova 1993, A&A 273, 383), приведенные к нашим единицам, дают темп вспышек СН 1а в галактиках раннего типа 0.06 ± 0.03 SNU.

В Гпаве 3 приводятся результаты исследования газа группы галактик NGC5044, компактных групп галактик HGC051 и HCG062 и производится сравнение с результатами измерений обилий тяжелых элементов в скоплениях галактик. По соотношению масс железа и кремния представляется возможным оценить длительность фазы истечения газа из галактик данной группы. По профилям обилий железа и кремния можно проследить процесс релаксации компактных групп, происходивший на ранних этапах эволюции Вселенной.

Часть II посвящена изучению влияния окружающей среды скопления о созвездии Дева на содержание газа в эллиптических галактиках М86 и NGC4649.

В Глаое 4 описываются результаты наблюдений галактики М86 обсерваторией ROSAT и наблюдений NGC4649 обсерваториями ASCA и ROSAT. Большая длительность наблюдения М86 а также высокий поток от М86 позволил построить детальную карту температуры и обилия элементов. Было обнаружено низкое обилие железа на восточной стороне объекта (~ 0.2 солнечного), где среда скопления в полтора раза более плотная, чем о западной части. Предложенное объяснение заключается в том, что при наличии динамического давления газа скопления, приводящего к потери газа галактикой, большую роль играет пополнение газа звездами и Сверхновыми галактики. Однако железо, поставляемое вспышками СН 1а, находится в

форме пыли (Itoh 1989, PASJ Let. 41, 853), и испарение занимает ~ 105/нс лет, что для типичной плотности газа восточной стороны М06 - 10~3 - 10~4 см-3 составляет от 108 до 10® лет. Низкое обилие железа 0.1 солнечного), а также низкое содержание газа обнаружено в NGC4649. В предположении темпов вспышек СН, полученных в Главе 2, и темпов потери вещества звездами галактики разница во времени накопления между железом и остальным газом действительно находится между 10® и 10е лет. Потеря газа может быть объяснена недавним прохождением галактики центральной части скопления.

Часуь 111 содержит результаты наблюдений двух активных ядер галактик NGC4151 и Сеп А приборами обсерваторий ГРАНАТ и ASCA, Обсуждаются широкополосные спектры и вклад АЯГ в диффузный рентгеновский фон, а также спектральные детали и их объяснение с точки зрения единой модели АЯГ.

В Главе 5 представлены широкополосные наблюдения NGC4151 телескопами АРТ-П и СИГМА обсерватории ГРАНАТ. Приведено описание приборов и наблюдений, исследована кривая блеска NGC4151 в жестком рентгеновском диапазоне. Детальный анализ спектров в диапазоне энергий 3-300 кэВ показал, что данные не описываются простой степенной моделью излучения, а сравнение с одновременными наблюдениями OSSE показывает необходимость введения двух сломов в кусочно-степенной аппроксимации спектра. Использование модели комптснизированного диска позволяет описать спектр источника даже при учете эмпирического соотношения поток-спектральный индекс, наблюдаемого в диапазоне энергий 4-30 кэВ. Также показано, что объекты со спектром подобным NGC4151, могут воспроизвести рентгеновский фон в диапазоне энергий 10-100 кэВ.

В Главе 6 приведен анализ профиля линии железа Ка в спектре радиогапактики Centaurus А. Найдена особенность на энергии 6.5 кэВ. Предложена интерпретация наблюдаемой особенности как флуоресцентной линии от ионизованного железа в окрестности активного ядра галактики.

Часть IV содержит результаты наблюдений рентгеновских транзи-ентов в созвездиях Персей и Орел телескопом СИГМА обсерватории ГРАНАТ.

В Гпаве 7 приведены локализация и измерение спектра рентгеновского транзиента СЛ51915-И05 по данным телескопа СИГМА.

8 Главе в представлены результаты продолжительных наблюдений рентгеновского транзиента ФЮ Ю422+32 в созвездии Персей телескопом СИГМА. Построена кривая блеска и дано ее объяснение о рамках модели неустойчивости потока аккрецируемого вещества (Аидих<е1]п в/а/. 1993, А&А 279, ИЗ). В терминах модели комптони-зированного диска для описания спектра источника необходимо введение второй компоненты, при этом полученные параметры (а; кТе) модели не изменяются со временем и равны (0.737±0.01; 25.4±0.05 кэВ) для мягкой и (0.39+0.0Э; 62.6±2.4 кэВ) для жесткой компонент. Эволюция светимости компонент в диапазоне 40-600 кэВ характеризуется различными зкспоненциальиыми временами (~30 и ~60 дней), тем не менее полное энерговыделение одинаково и требует суммарной аккреции ~ 2.5 х Ю-10Мо вещества (при предположении расстояния до источника в 1 кпк и эффективности перепода массы и светимость равной 8%). Найдено, что жесткая компонента обладает более значительными флуктуациями потока на масштабе одного дня, и уровень шума источника в диапазоне частот 0.001 -г-0.1 Гц аозра-стает с ростом вклада жесткой компоненты в полную светимость источника в диапазоне 40-600 кэВ.

Основные выводы и результаты диссертационной работы

И. Проведен детальный анализ рентгеновского излучения газа в коронах эллиптических галактик и групп. Построены профили температуры, массы газа и обилий железа, кремния и серы для галактик N005846, N004649, N604472 и групп галактик N005044, НС0051, НС0062. Получена оценка содержания кремния и серы в заездах эллиптических галактик на расстоянии от одной до десятков минут от центра галактики.

2. На основании рентгеновских наблюдений горячего газа в коронах галактик N005046 и N004472 получена оценка темпа вспышек Сверхновых (СН) типа 1а, Подтверждающая данные оптических

поискоо СН. Произведено сравнение роли Сверхновых различных типов на ранних этапах формирования галактики по данным рентгеновских наблюдений горячего газа в группах галактик.

3. Предложена сеязы низкого обилия железа в горячем газе галактик М86 и ЫЭС4649 скопления а созвездии Девы с наличием потери газа галактиками, находящимися г скоплении.

4. Доказан тепловой механизм рентгеновского излучения Сейфер-, товской галактики с низкой радиосветимостью ЫОС4151'по данным телескопов АРТ-П и СИГМА. Показано, что галактики, подобные N004151, способны воспроизвести форму спектра диффузного рентгеновского фона в диапазоне энергий 10-100 кэВ.

5. Обнаружена особенность на энергии 6.5 кэВ в спектре радиогалактики Сеп1аигдо А. Предложена интерпретация наблюдаемой особенности как флуоресцентной линии от ионизованного железа.

6. Иследоаана эволюция жесткого рентгеновского излучения рентгеновского трлнзиента вЯО .10422+32 в созвездии Персей по данным телескопа СИГАЛА. Показано, что спектр источника не описывается стандартной моделью комптонизированного излучения. Предложена интерпретация наблюдаемого спектра в рамках двухтемпературной модели и обнаружена связь между временной переменностью и эволюцией компонент комптониза-ционного спектр;.

7. Произведена локализация и получай спектр рентгеновского тран-зиента 0(?51915+105 по данным телескопа СИГМА.

о

Основные публикации по теме диссертации

t. Jourdain E., Bassani L., Roques J. P., .... Finogenov A. et al. . SIGMA observations of extragalactic sources. // A&AS. 1993. V.97. P.89-91.

2. Jourdain E., Bassani L., Roques J. P., ..., Finogenov A. et al. . The observations of AGNs in the 40-1300 keV energy range by the SIGMA telescope. // Advances in Space Research. 1993. V.13. N.I2. P.705-708.

3. Jourdain E., Bassani L., Roques J. P., ..., Finogenov A. et a/. . On the hard X-ray variability of Cenfaurus A. // ApJ. 1993. V.412. P.586-592.

4. Finoguenov A., Churazov E., Gilfanov M. et al. . Localization and spectrum of the X-ray transient source GRS 1915+105. // ApJ. 1994. V.424. P.940-942.

5. Roques J. P., Bouchet L., Jourdain E., .... Finoguenov A. et al. . SIGMA observations of the bright X-ray transient Nova Persei: A new black hole candidate? //ApJ (Supplement Series). 1994. V.92. P.451-454.

6. Churazov E., Gilfanov M., Finoguenov A. et al. . Review of Granat observations of AGNs. // IAUS, 1994, V.159. P.63-72.

7. Finoguenov A., Churazov E.t Gilfanov M. et al. . Broad-band X-ray observations' of NGC 4151 by the ART-P and SIGMA telescopes in 1990-92. //A&A. 1995. V.300. P.10Î-105.

8. Vikhlinin A., Churazov, E., Gilfanov, M., Sunyaev, R., Finoguenov A. et si. . Hard X-ray variability of X-ray Nova Persei 1992: GRANAT/SIGMA results. // ApJ. 1995. V.441. P.779-785.

9. Bondi.A., Ballet J., Denis M., Finoguenov A. eta!. . Hard X-ray monitoring of Cer.taurus A by SIGMA during 1990-94: definition of a low luminosity state. // A&A. 1996. V.307. P.708-714.

n

10. Финогенов А., Гильфанов М., Чуразов Е. и др. Наблюдения рентгеновской Новой в Персее 1992 телескопом СИГМА обсерватории "Гранат". // Письма в Астрономический Журнал. 1996. Т.22. N.11. С.975-981.

11. Finoguenov A., Forman W., Jones С. A Comparison of the ISM in Ellipticals to the Hot Gas in a Dense Group from Combined ROSAT and ASCA Observations. // Astro-ph. 1996. N.9607029.

055/02/2 Ротапринт ИКИ PAH

Москва, 117610, Профсоюзная, 84/32

Подписано к печати 1JL0J96

Заказ 318 Формат 70x108/32 Тираж 100 0,6 yv-мзд.л.