Рентгеновское излучение сверхновой 1987А. Наблюдения на модуле "Квант" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА, ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

На правах рукописи

Канио5С1!кЯ Александр Сергеевич

рентгеновское излучение сверхновой ш7а

наблюдения на модуле "квант" ■

¡И.03.02 - Астрсф::з::кг, радиоастрономия

Автореферат диссертации т соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1991

Работа выполнена а Институте космических ясследованяв АН СССР «»ЗГЧНЫЙ руководитель: •

член-корреспондэкт АН СССР, проф. Р.А.Сюняев . Оф*шмы!ьные оппоненты:

.. доктор физико-математических наук, Т. А, Лоз «некая доктор фкзико-математических наук И, Д.бевгмаи •«доаяя организаций;

Институт теоретическое я эксперякентальной фи»яки. г, Москва

Защита диссертации состоятся < « Ие&^ГЗ * ¡дд/ г.

в ! часов ш заседании спэцнаяиз ированного совета ■'

Д (502. 94.01 при институт* космических исследование АН СССР по адоесу: 117810 Москва, ул. Профсоюзная, 44/38. ЙКИ АН СССР, полез д 4. (конференц-зал).

• • . ; V' ■ •

С дяссертаииев можно ознакомиться в библиотеке ИКЯ АН ССС*

Автореферат разослан « « |М1 г.

Ученый сектэтарь спрцналкэярованного совета

Я 002. 34. 01 А

к .'.т.н. В.Е.Нес»еров

ОЕШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тэны

Ззрыв сверхповой 1937а 23 февраля 1937 :года в Большом М&гвллановсш Облакэ на расстоянии всего в 53 кпк явился одним на наиболаэ аанэгньк вс;рефизвческкя событяй последнего десятилетия,' Впервые в ясторяш ка-блядательной астрофизики стало возможным детально®, продолжительное исследование физических : процессов, протэко.'сщзх при взрыве сверхновой, путем наблюдений практически во веек дяапазомак дякн волн электромагнитного излучения, доступных современной экспериментальной астрофизике. от радиоизлучения' до гамка-лвкай. Обмяк« наблюдательных данных сделало возможным построят!. более детальную таорэтнчэскуп модель процессов,, прогэказаия пря взрыве 8 дальнэйпэй эволюции этого уникального астрофизического объекта, дало материал для развития всего раздела астрофизика, эанакакцвгося фвзвкоЙ сверхновых. Исследования саеряноаой 1907» в рентгеновском диапазоне, прояснившиеся орбитальным!! космвчэскеши еппаратакя, в гаюаэ а хидэ баллоша.!» а ракэтныя полетов дали сущоствоннув часть информации об. ртом источнике.

Международная орбитальная обсерватория «Рентген» • на модуле «Кэе::т» комплекса космической ставдяв «Нар» проводила' непрерывные, наблюдения спврзшоэой ЮЗТа в точеаяб 1837-1990 гг. Результаты наблэдзняй яозрояяпт сделать ряд пыподов о физических процессах в' оболочка сзеркиозоЯ. Выгоды, сдолашыэ по данный наблюдений" в рэнтгэновскои диапазона, частично подтверждаются наблюдениями и

других диапазонах.

Программа наблюдений сверхновой 1987а в рентгеновском диапазоне не завершена. В нвсгоящез врэня вкгуальгы вопроса дальнейшей ■ эволюции сверхновой 19В7а. Будущие наблюдения в рентгеновском диапазоне могут дать ответы (¡а вопросы об изотопном составе оболочки, природе звездного остатка, возможно, образовавшегося в процессе взрыва, физика эволюции предсвер»новоЙ.

В 1993 году в Советской сокзе планируется запуск орбитальной рентгеновской обсерватории сСпектр-Рентгвн-Гсиме». Приборы стой обсерБЕТории позволят наблвдать снэрзлюву» 1387а через 8 лет после взрыва.

- ( ■ • ЦелЬ работы ■

Цель, 'работы заключалась в анализе данных набладвний сверхновой ' 1987а в жестком рентгеновском диапазоне орбитальной обсерватории «Рентген» на модуле «Квант»! а также исследование наблюдательных возможностей обсерватории <Спектр-Ронтгек-Гймма>.

Научная новизна :

В раббте приводятся результаты продолжительного наблзэденяя Свохновой .1987в в £)эктг®коескок диапазоне;' Получены спектры жесткого рентгеновского излучения СН19876. В работе прослежена эволюцая жесткого рентгеновского спектра СИ1087 на протяиенян йаух лет наблюдений. По данным наблюдений 1987-1989 гг. построены кривые рентгеновского блеска источника, позволившие получить 'оцвккК для распределения ' 56Сс в оболочке сверхновой. Поведение рентгеновского излучения СН1В87а является кощным свидетельством в

пользу ноделэЯ оболочки с перемешиванием радиоактивных элементов. По результата» наблюдений сверхновой 1937а в 1988-1989гг в работе получены верхние прэдолы на излучение от дополнительного источника энергии 9 оболочке сверхновой изотопа 57Со, а также на излучение звездного остатка -чорной дыры или нейтронной звезды, возможно образовавшейся при взрыве сьерхновой. В заключительной части диссертации рассматриваются дальнейшие возможности исследования. сверхновой 1987а средствами готовящейся к запуску орбитальной обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма>.

Практическая рвнность

• Приведенные в диссертации результаты • наблюдений рентгеновского излучения сверхновой 1937а свидетельствуют о радиоактивной пркродэ формирукцзгося в оболочке излучения. Выводы о сильлон пэрекоаивакнн радиоактивных элементов, образующихся при взрыве езорхповой, получаемые по кривым рентгеновского блеска С!П337а, хороао согласуются с боло'э поздними результатами иаб.тядэкяЭ в л.чнияя прямого вылета 347 я 1238 кэВ. Простейшая нодэяь порамешиоанвя 5&Со в оболочка сверхновой, полученная в работа, яожэт использоваться при рассчетах процессов выхода , излучения иг оо'олочка. Данная нодель использовалась в этой работе для ра»счвтов пряного вьшата из оболочки рентгеновских квантов, обр&зутгзвксп при распетая даягояявущая изотопов ЙТСо, 44Т1, саггтезировБтшх при взрыве сверхновой. Некоторые из этих линий могут быть зарегистрированы орбитальной обсерваторией' «Спеитр-Рэктген-Ганка», которая булат запушена а 1995 году. Результаты яашгой работы могут быть использованы для будущего плаияроввкая иаблядоняй этой обсерватории.

В процессе работы было создано натематнчоскоо обеспеченна.

успешно применявшееся при исследовании других рентгеновских источников, наблюдавшихся обсерваторией «Рентген», Была проведена полетная каллибровка детекторов прибора «Гексе» обсерватории «Рентген».

Апробация

Материалы диссертации были представлены пч Всесоюзном семинаре по рентгеновской s» гамна-астронокик (Баку, 1987), на Общекосковскон астрофизическом семинаре под руководством академике Я. Б. Зельдовича (1387), на конференции молодых ученых а специалистов ИКИ АН СССР (1888). ка Генеральной ассамблее КОСП&Р в Финляндии (Эспоо, 1988), на 23-вк Симпозиуме в рамка» Европейской Космической Лаборатории (Болонья,1S89), ка Международной конференции «Сверхновая-.1987а и другие сверхновые» ( о. Эльба, 1950), на Международной конференции по гакиа-линиям в астрофизика (Сакле, 1990), на международной конференции «Наблюдательные возможности' телескопа СОДАРТ обсерватории «Спектр-Рентген-Ганма» (Копенгаген, 1991), на семинарах отдала Астрофизике; высоких энергий ИКИ .АН СССР.

Публикации По теме ¿¡кссертацни опубликовано 9 работ.

Структура диссертации диссертация состоит вг Введения и четырех

диссертации, кратко описаны основные результаты к содержание диссертация. Дан краткий обзор наблюдательных данных о сверхновой 1987а.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулированы проблемы, обсуждаемые в

В Главе 1 дано описание приборов обсерватории «Рентген» на модуле «Квант», циклограмма функционирования обсерватории ' hp. орбите и методика наземной обрзботки данных.

Орбитальная обсерватория «Рентген» на модуле «Квант» запущена весной 1987 года. Обсерватория успешно функционирует в составе орбитального комплекса станции «НИР». Отличительной особенностью комплекса чаучной аппаратуры обсерватории является широкий диапазон чуаствителыюсчи - от 2 до 800 кэВ. Станция «Мир» функционирует на «низкой» орбите со значительным наклонением плоскости орбиты, что определяет высокий уровень переменности фоновых условий (широтный ход фона) для рентгеновских пкспериментов на борту станции. В спучае с наблюдениями рентгеновского излучения сверхновой 1987а отношение Сигнал/Шум было крайне низким, что наряду с переменностыс фоновых условий и значительным процентом телеметрических сбоев существенно затрудняло обработку данных.

Основным прибором обсерватории «Рентгеч» при наблюдении жесткого рентгеновского излучения сверхновой 1987а был сцинтялляциоиныЯ детектор «Гексе», работающий в диапазоне энергий 15 - 200 кэР. В процессе наблюдений прибор был откалиброван и отъюстирован по санным наблюдений Крабовиднэй туманности.

Обсерватория «Рентген» вола непрерывные наблюдения области Большого магеланового Облака в течений двух лет с 1987 по 1989 гг.

В Главе 2 приведены результаты исследований жесткого рентгеновского излучения сверхновой 1987а по данным обсерватории" «Рентген».

Теоретические расчеты ожидаемого рентгеновского излучения от сверхновой 1987а, проведенные в ИКИ АН СССР С.Л.Грэбеневым и Р. А. Сюняэеын, а затем рядом групп за рубежом, сразу после открытия

этого источника в оптических лучах, предсказали что жесткий |

I

ронтгеновскй континуум, формирующийся в результате коиптонизации в оболочке сверхновой гамма-квантов, образующихся при распаде радиоактивного ¡Собэльта-56, должен достигнуть уровня доступного для наблюдений приборани обсерватории в начала осени 1987г.

В августе 1987 г. прибором «Гексе» обсерватории «Рентген» был зарегистирирован необычайно жесткий рэнтгеновсий поток (показатель степени для фотонного спектра - -1) из области вблизи сверхновой 1987а. По данным наблюдений в августе 19S7 источник кэсткого рентгеновсксго излучения был локализован. Положение источника совпало с положением СН1987а в пределах сшибки локализации 6 угл. мин.

За время, наблюдений приборами «Гексе» и «Пульсар Х-1» были построены спектры CH1S87& б диапазоне 15 - 300 кэЗ. Пэ данным прибора <Гексе» была прослежена эволюция рентгеновского излучения СН1987а. Были выделены следующие характерные особенности эвоюоцйк рентгеновского излучения СН1987&: раинеэ появление рентгеновского потока (значимое рентгеновское излучение регистрировалось уж® в июл\в 1987),. медленный рост рентгеновской светимости до февраля 1988, последующее паданиэ потока мзлучэния, связанное с распадом Кобальта-56. На позлних этапах эволюции заметным становится изменение формы спектра (уменьшается число фотонов с энергиями меньше ЗОкэВ всяедстЕми уменьшения оптической толщи по компто.иовскому рассеянию оболочки сверхновой!.

В. процессе наблюдений получены верхние пределы на потоки в 'жестком рентгене от двух других известных источников, находившихся во время наблюдений в поле зрения, прибора «Гексе»: LMC Х-1 и PSR0540-693.

В Гль.ве 3 рассмотрены возможности интерпретации результатов

наблюдений СН1987а для построения модели оболочки сверхновой, а также для оценки дополнительных источников эн&ргии в оболочке сверхновой.

Сравнение результатов численного моделирования формирования рентгеновского излучения сверхновой с данными наблюдений приводит к необходимости объяснить раннее, по сравнению с модельным, появление рентгеновского континуума, выходящего из оболочки (аналогичная проблема возникает для гамма-линий прямого вылета 847 коВ и 1238 кзВ). Одним из возможных объяснений данного несоответствия может являться перэнэимвакиа радиоактивных элементов а оболочке сверхновой при взрыве. Высокая статнстичэская значимость данных для кривой рентгеновского блеска СИ198?а позволила построить модель распределения Кобальта-56 оболочке в предположении сферической симметрии задачи. Модель требуэт сильного перемешивания -АО'/, кобальта практически по всей оболочке сверянозой. Модель объясняет как поведвние рентгеновского континуума, так н эволюцию линий прямого вылета.

За период наблюдений с января 1988 по май 1989 прибор сГексе» зарегистрировал падение рентгеновской светимости в континууме болеэ чем в 8.3 раз, что хорошо согласуется с прэдположэнием о Ко5альте-5В как основном источнике энерговыделэмкя в оболсчко сверхновой посла взрыва. На поздних этапах эволюции актуальным становится вопрос о дополнительных допгоживущих источниках энергий в оболочке. К этим источниках относятся долгоживуии® изотопы 1Собальт-57, Натрий-22, Титан-44, а также звездный остаток (нейтронная звезда или черная дыра), который мог образоваться пра взрыве. Во время последнего периода наблюдений обсерзатория «Рентген> не зафиксировала значимого потока от СН1937&. Лолучв*галй верхний предел на рентгенооскую светимость СН198?а I«(1S-IOS кэЗ)

* 1. 3 1037 эрг/с соответствует пределу на светимость звездного | остатка со спектром, подобным спектру пульсара в Крабе, 4. 4 10зв эрг/с. Наиболее мощным источником энергии в оболочке среди долгоживущих изотопов является Кобальт-57. По данным наблюдений был получен верхний предел на относительное обилие

s 7 s6

этого изотопа Со /Со , соответствующий 1.5 относительного обилия

Fa^'/Fa56 на Земле. Получен также менее интересный верхний предел

на линию прямого вылета 122 кэВ, образующуюся при распаде этого -4 2

изотопа 3.9 10 фот/см с, что соответствует относительному обилию, превышающему земное в 6 раз.

В Главе 4 исследуются возможности наблюдения СН1987а обсерваторией «Спектр-Рентген-Гамма», готовящейся к запуску в 1995 году.

Одним из двух основных инструментов международной орбитальной обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» является Советско-Датский телескоп с рентгеновской оптикой косого падения СОДЛРТ. Рабочий диапазон энергий данного инструмента - о.1-30 кэВ. В состав телескопа в качестве фокального детектора входит охлаждаемый твердотельные кремний-литиевый спектрометр SIXA, с энергетическим разрешением порядка 200 эВ. К моменту запуска обсерватории в 1995 году оболочка сверхновой 1987а, кроме центральной ев части, становится прозрачной по фотопоглощению для мягккх рентгеновских линяй, образующихся при распаде изотопов 57Со, S5Fg , 4*Ti. При оценке возможности регистрации линий использовалось модельное распределение радиоактквных элементов в оболочке, описываемое в Глазе 3 диссертации. Согласно результатам численного моделирования, существует возможность наблюдения линии 6.4 кэВ от изотопа CoST, в также линии 5. 9 кэв от Fess.

' Сверхновая 1987а может оказаться уникальным объектом для

рентгеновских исследований в случре возникновения мощной ударной полны при столкновения вещества сброиюнного при взрыве со звездным ветром от предсверхиозоЯ на стадии красного сверхгиганта.

В составе обсерватория «Спектр-Рентген-Ганма» входит телескоп с кодированной аппэртурой НАРТ, работающий в диапазоне энергий от 15 до ISO кэВ. При помощи этого телескопа будет возможен поиск излучения звездного остатка, находящегося внутри оболочки сворхновой. Его излучение должно трансформироваться из-за фотояоглоцэняя в оболочке.

Основные выводы и положения выносимые на защиту.

1. 3 работа получены спактры жесткого рентгеновского излучения сверхновой 1987а, зарегистрированные орбитальной обсерваторией «Рентген» на модуле «Квант». Показано, что форма спектров соответствует рентгеновскому континууму, формируемому в результате кокптонизация гамма-квантов, возникающих при распад® иобапьта-ЗВ в оболочке сверхновой.

2. Построены кривые рентгеновского блеска сверхновой 1987а. Отмечена необходимость перемешивания радиоактивных элементов в оболочке сверхновой в предположения сферически-симметричной однородной оболочки .

3. Построена модель распределения радиоактияшх элемэнтов а оболочка сверхновой. Показано, что модель описывает экспериментальные данные по линиям прямого вылета.

4. Получены верхние пределы на относктельное обилие Со57.

5. Получены верхние пределы на светимость звездного остатка.

6. Получены верхние пределы на потоки от рентгеновских источников вблизи СН1987а - LUC Х-1 я PSR 0340-693.

7. Рассмотрены перспективы наблюдении СН1987а приборами

орбитальной обсерватории «Спектр-Рентген-Ганма». Показано, что I существует возможность наблюдения мягких рентгеновских ляпай прямого вылета от изотопов со57 и Fe55.

ОСНОВНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Sunyaev Р.., Kaniovsky A., Efremov V., Gilfanov М., Churazov Е., Grebenev S., Kuznetsov A., Melioransky A., Yamburonko It., Yunin S., Stepanov D., Chulkov I., Pappe N., Boyareky M., Gnvrilova E., Loznikov v., Prudkoglyad A., Rodin V., Reppin C., Pietsch W., Bezler M., Staubert R., Brinkman A., Heise Д., Mals W., Jagar R., skinner 0., Al-Emam 0., Patterson Т., Hl Итоге A., Discovery of hard X-ray emission from eupernova 1987A. Nature, 1987, v.330, p.227-229.

2. Синаев P.A., КаняовскяЙ A.C., Ефремов B.B. , Гильфанов И. Р., Чуразов Ё. М. , Гребенев С. А., Кузнецов A.B., НелиоранскнЗ A.C., Яибуренко Н. С. , Кннн С. Н. , Степанов Д. К. , Чулков И. В.. Паппе НЮ.. Боярский И.. Гаврилова Е.. Лозников О.И., Прудкогляд ;

A. , Родин В., Реппии К. . Питч В. , Энгелхаузер Я. , Трюнпор И.. Вогес В., Кендзиорра Е.,Бетцлер П., Штауберт Р., Бринмнан а.,

»Чайэе Дж. , Меле В., Ягер Р., Скиннэр Дж. , Эль-Энам 0., Псттэрсон ' Т., Вкллмор а. Обнаружение жесткого рентгеновского излучение . сверхновов 1987. а. Предварительные результаты подула КВАНТ., Писька В AS, 1Q87, Т. 13, С. 1027-1041.

3. Сюняеа P.A., Ефремов В. В. , ¡СанновсьиИ A.C., Степанов 12. К.., ПкинС.Н., Кузнецов А. В.. Лозняков В. И.. ИеляорансняВ A.C., Родин

B. г. . Прудкогляд A.B., Гребенев С .'Д.. Репаан К., Питч б., энглхаузер Я.. Трсипер И., Вогес В., Кендзиорра Е.. Безлер h. в □тауберт Р. Увеличение потока жесткого' рентгеновского излучения от сверчковоВ 1937а по данным приборов «Гексе» в «Пульсар Х-1»

обсерватория «Рентген» на нодуле «Квант». Письма в АЖ, 1Э88, т.14, с. 079-SEO.

4, Сянлвэ Р. А. , Каивоаский Л, С. , Ефрзноа В. В. , Грвбанев С. А., KysHeuoD A.B., лоэникод В. Н.. ИэлиоранскнЯ A.C., Энгляаузер Я. , Двберайнзр С., Патч В. , Реппин К. , Трвмпэр И. , Кендзиорра Е. . Майсак М. , Мани Б. и Штвуберт Р. Падание потока жесткого рентгеновского излучения сверхновой 1887а. Дашша м.одулл «Квант». Пмсьиа d АЯ, 1039, т. IQ, с. 291-300.

8. Свияав P.A., Какиовсивй A.C., Ефремов В. В., Гребеиэв С. А. , Кузмзцсо A.D., Эпглхпузор Я., Лэберайнэр С., Питч В., Реппин К, , Трмипер И. , Кендзиорра Е. , Майсак Н. , Пони Б. и Штауберт Р. Йесткоэ рзнтгФнозское пзлучзнио от свергшовой 1987а. Результаты наблюдения обсерватория «Рентген» иа модула «Кввнт» и 1937-1939 ГГ. Пнсьив S да, 1SE0, *. 1Q, С. 403-4 IS.

3. Sunyasv К., Eircaov v., Kaniovsky Л., Stepanov D., Unin Si, Kussnstcov A., Losniltov V., Halioransky A., Prudkoglyad A., Grabenov 5., Rappin C. , Piotach W., Englhauser J., Truonper J., Vogao И., Kendsicrra 5., Bezler il. and Staubert К. Hard X-rays fron Supernova 1937a. Adv.Space Res. Vol.10, No.2, pp.47-53, 1990.

7. Sunyaev R., Efraaov V., KanicvGky A., Grcbensv 3., Rappin C., Pietscli W., Englhauser J., Trueaper J., Vcges W., Kandsiorra 2., Staubert R. Upper Units on "7Co abundanca in SH1337a according to tho KVANT data. Prcc.23rd ESLAB Synp. on Two-Topics in X-ray Aatronoay,Bologna,Italy,1S39,p.171-172.

B. Englhauser J., Poeborainar S., Pietsch t?., Rappin C., Truemper J,, Kendriorra E., Haisak M., Mony В., Staubort П., Efremov V., Kaniovsky Л., Kuznetsov A., Sunyaev П. Hir-Kvant-Kaxe Hard X-ray Light Curve of SM 1987a. Pros.23rd ESLAB Syr.p. on Two-Topic3 in X-ray Astronoiay, Bologna, Italy, 1989, p. 397-400.

• 9. Sunyaev R., Grofaanov S.( Kaniovsky A., Efrenov V., | Kuznatsov A., Pavlinsky H., Vamburanko N.,Rsppin C., Pletsch W., Englhauser J., Trueaiper 3., Voges V?.» Kendaiorra E., Btaubert R. Hard X-rays frost Supernova 1937si Rasulte of MIR-KVAiW and GRANAT in 1987-1990 and Expectations. Proc. Caaaa-ray Line astrophye. Syssp., Sacl®, France,1990.