Свойства рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд со слабым магнитным полем по данным орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, ИНТЕГРАЛ и RXTE тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Человеков Иван Васильевич

Свойства рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звёзд со слабым магнитным полем по данным орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, ИНТЕГРАЛ и 1*ХТЕ

01.03.02. Астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2006

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

Гребенев Сергей Андреевич (ИКИ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор

Постнов Константин Александрович (ГАИШ МГУ) Иногамов Наиль Апимович (ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН)

доктор физ.-мат. наук

Ведущая организация:

Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 28 декабря 2006 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 002.113.02 в конференц-зале Института космических исследований РАН по адресу:

Москва, 117997, ул. Профсоюзная, д. 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН

Автореферат разослан 28 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.113.02 к.ф.-м.н.

А'Ю.Ткаченко

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Еще в 30-у годах XX века, вскоре после открытия нейтрона, было предсказано существование нейтронных звезд с радиусом -10 км и плотностью, близкой к ядерной. Мощные гравитационные и магнитные поля, сверхвысокие плотности вещества и излучения, достижимые вблизи нейтронных звезд, делают их уникальными естественными лабораториями для исследования физических процессов в экстремальных условиях и проверки современных теорий.

Многие нейтронные звёзды входят в состав двойных систем и излучают в рентгеновском и гамма-диапазонах за счет аккреции вещества звезды-спутника. Такие рентгеновские системы можно подразделить на два класса: массивные и маломассивные (в англоязычной литературе приняты аббревиатуры НМХВ и 1_МХВ соответственно). Маломассивные двойные рентгеновские системы, т.е. системы, состоящие из аккрецирующей нейтронной звезды и оптической звезды-спутника, принадлежащей к позднему спектральному классу и имеющей массу порядка солнечной, образуют достаточно многочисленную группу среди рентгеновских источников Галактики. В качестве компактного объекта в такой системе может выступать либо нейтронная звезда, либо черная дыра звездной массы. Далее мы рассматриваем 1_МХВ-системы, компактным объектом в которых является нейтронная звезда. Свойства таких систем сильнейшим образом зависят от величины магнитного поля нейтронной звезды. Можно выделить два типа источников: молодые системы с сильным магнитным полем (В-1012 Гс) и сравнительно старые системы со слабым полем (В~109 Гс). Первые в подавляющем большинстве являются пульсарами, т.е. рентгеновскими источниками, от которых регистрируются периодически повторяющиеся импульсы излучения. Нас будут интересовать системы со слабым полем. Этот тип объектов очень разнообразен в своих проявлениях. Излучение," регистрируемое от таких объектов, может характеризоваться рентгеновскими всплесками (длительностью от нескольких секунд до десятков минут), мощными продолжительными вспышками (длящимися дни и даже месяцы), дипами (резкими провалами на кривой блеска), наконец, квазипериодическими осцилляциями потока излучения. От нескольких таких объектов были обнаружены килогерцевые квазипериодические и когерентные пульсации, свидетельствующие о том, что нейтронные звезды в этих системах вращаются со скоростью несколько сот оборотов в секунду.

Большинство "слабых" 1.МХВ, светимость которых составляет 1_~1036-1037 эрг/с, являются барстерами, т.е. источниками, демонстри-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 2В0&КТ/0^1

рующими всплески рентгеновского излучения. Величина постоянного потока излучения от них, как правило, в несколько раз меньше, чем от "ярких" источников.

Теоретические модели рентгеновских всплесков основываются на рассмотрении процесса аккреции вещества на нейтронную звезду. Предложено два сценария всплеска. В одном энергия для вспышки черпается из ядерной энергии, запасенной в аккрецирующем веществе, выпавшем на поверхность нейтронной звезды. Во втором -высвобождается гравитационная потенциальная энергия падающего вещества. Существуют весомые доказательства того, что рентгеновские -1

всплески I рода, характеризующиеся быстрым подъемом и медленным экспоненциальным спадом потока излучения, происходят за счет термоядерной неустойчивости оболочки нейтронной звезды. ,

Неустойчивость аккреционного потока, вероятно, является причиной всплесков II рода, наблюдаемых, например, от известного источника "Быстрый барстер" (4Ы 1730-335).

X. ван Хорн, К. Хансен (1974) и К. Хансен, X. ван Хорн (1975) первыми указали на то, что ядерное горение в аккреционной оболочке нейтронной звезды может быть нестабильным. После открытия рентгеновских всплесков в 1975 г. С. Вусли и Р. Тамм (1976) предложили модель термоядерной неустойчивости, основанную на, горении гелия, тогда как Л. Мараски и А. Кавальери (1977) — модель водородных вспышек. Качественное сравнение наблюдательных данных с ожидаемыми в соответствии с моделью свойствами было проведено П. Джоссом (1977) и Д. Лэмбом и Ф. Лэмбом (1978).

, В простой физической картине потенциальное ядерное топливо в виде водорода и гелия аккрецирует на нейтронную звезду с оптического компаньона. По мере накопления аккреционного вещества на поверхности звезды оказываемое им высокое давление приводит к >

"возникновению ядерных реакций, конечным результатом которых является образование ядер железа с плотностью рй 1011 г°см'3. Переход в железо при широком диапазоне внешних условий носит взрывной характер. Из-за температурной зависимости скорости ядерных реакций эти слои подвержены термической неустойчивости, возникающей в результате экзотермических реакций. Высвобожденная ядерная энергия выносится на поверхность и становится причиной непродолжительных (порядка десятков секунд) рентгеновских вспышек - всплесков

Термоядерная модель успешно описывает основные черты рентгеновских всплесков, в частности, малое время возрастания интенсивности излучения до максимума (~1 с), долгое время квазиэкспоненциального спада (~15...300 с), периоды повторения вспышек (несколько часов), энерговыделение (~Ю39...Ю40 эрг), отношение энергии, выделяемой между всплесками, к энергии, выделяемой во время всплеска, -100... 1000, и смягчение спектра по мере спада интенсивности излучения. Сравнение экспериментальных

данных с предсказаниями теории позволяет определить параметры, характеризующее область взрыва, - поверхность нейтронной звезды.

Постоянное излучение аккрецирующих нейтронных звезд со слабым магнитным полем формируется в двух геометрически разделенных областях вблизи звезды. Во-первых, это пограничный слой, который образуется в месте соприкосновения аккреционного диска и поверхности нейтронной звезды. Энерговыделение в погранслое связано с резким уменьшением скорости аккрецирующего вещества с кеплеровской скорости на внутренней границе диска Г}К=(СМ/(Ч3)1/2 до значительно меньшей скорости О вращения самой звезды. На единицу массы вещества энерговыделение составляет Во-

вторых, это собственно аккреционный диск, излучающий за счет гравитационной энергии падающего вещества. Здесь выделяется тоже УУЗМ/Р (в пределе ньютоновской гравитации), т.е. светимости погранслоя и аккреционного диска должны совпадать.

Разделение двух спектральных компонент и определение физических параметров системы стало важнейшей проблемой при исследовании постоянного рентгеновского излучения маломассивных рентгеновских двойных. Недавно было предложено выделять излучение погранслоя из общего спектра излучения системы с помощью частотно-разрешенной рентгеновской фурье-спектроскопии (Гильфанов и др., 2003). Предполагалось, что излучение аккреционного диска должно характеризоваться меньшей степенью хаотической перемен-ности по сравнению с излучением погранслоя в диапазоне фурье-частот Т 0,5-1 Гц и может вносить свой вклад в общую переменность потока излучения лишь в области малых фурье-частот. Считая спектр излучения погранслоя равным перенормированному частотно-разрешенному спектру, что верно с заранее неизвестной точностью, можно разделить две компоненты спектра.

Во второй части данной диссертации предлагается другой способ совместного физически обоснованного описания спектров пограничного слоя, и аккреционного диска, основанный на равенстве их полных светимостей (или более сложном соотношении в общерелятивистском случае). Описание излучения предлагаемой моделью позволяет определить такие физические параметры двойной системы, как темп аккреции вещества, наклонение диска, температура плазмы в верхних слоях погранслоя и даже радиус нейтронной звезды.

Цель работы

Цель работы заключалась во всестороннем анализе свойств рентгеновского излучения, регистрируемого от двойных маломассивных рентгеновских систем в "спокойном" состоянии, а также в поиске и

исследовании всплесков I рода от рентгеновских барстеров на основе данных, полученных телескопами АРТ-П орбитальной обсерватории ГРАНАТ, IBIS и JEM-X орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ и детекторами РСА и HEXTE орбитальной обсерватории RXTE.

При исследовании излучения двойных систем в "спокойном" состоянии .основной задачей являлась интерпретация спектров таких систем физически обоснованной моделью, учитывающей излучение как пограничного слоя на поверхности нейтронной звезды, так и аккреционного диска. . При исследовании рентгеновских всплесков основное внимание уделялось детальному анализу эволюции светимости и температуры во время мощных всплесков и оценке типичных параметров (температура, энерговыделение, период рекуррентности) для всплесков умеренной интенсивности.

Во время поиска рентгеновских всплесков большое внимание уделялось обнаружению новых рентгеновских барстеров, а также быстрых рентгеновских транзиентов в состоянии с низкой светимостью.

Научная новизна

Все результаты, представленные к защите, являются новыми.

Предложена и апробирована модель BDLE (Boundary layer - Disc Luminosity Equality) для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивных рентгеновских двойных, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта.

Впервые проведено всестороннее исследование транзиентного барстера МХ0836-429: зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры) и временно й анализ излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Показано существование двух спектральных состояний системы с различной жесткостью и предложены возможные объяснения этому феномену. На основе анализа времени рекуррентности всплесков определен параметр а 140 режима термоядерного горения.

Проведён подробный спектральный анализ излучения барстера KS1731-260 в спокойном состоянии и во время всплеска. Определены такие параметры системы, как темп аккреции вещества на нейтронную звезду, наклонение системы, температура плазмы в пограничнбм слое и во внутренних областях аккреционного диска. Анализ всплесков в системе позволяет утверждать, что содержание водорода в области термоядерного взрыва на поверхности нейтронной звезды, явившегося причиной возникновения наблюдаемых всплесков, было значительным.

Создан каталог жестких рентгеновских всплесков, зарегистрированных от барстеров телескопом ISGRI/IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ

в диапазоне энергий 15-25 кэВ в 2003-2005 гг. Открыт новый рентгеновский источник-барстер К31ЧЛ7364-2711. Отмечена уникальность рентгеновского барстера вХ354-0: число всплесков от этого источника, зарегистрированных на энергиях выше 15 кэВ, значительно превышает число подобных всплесков, зарегистрированных от других барстеров (более 65% от всех всплесков). Для этого источника исследованы статистические распределения числа всплесков по их длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности.

Научная и практическая ценность работы

Приведённые в работе экспериментальные данные пригодны для непосредственного сравнения с теоретическими моделями и "результатами других экспериментов. В частности, список всплесков, зарегистрированных от рентгеновских барстеров обсерваторией ИНТЕГРАЛ, может быть использован для исследования свойств этих барстеров. Кроме того, детальный анализ спектральных и временных характеристик рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звёзд может дать ключ к пониманию многих процессов, происходящих при аккреции вещества на такие объекты. Создана и адаптирована для работы с пакетом математического обеспечения НЕАэоЙ спектральная модель В01-Е. В процессе работы над диссертацией было разработано математическое программное обеспечение, которое может быть использовано для обработки данных различных рентгеновских миссий.

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на XLV научной конференции МФТИ (Долгопрудный, Россия, 2002), международных научных конференциях "The Electromagnetic Spectrum of Neutron Stars" (Marmaris, Turkey, 2004), "Cosmology and High Energy Astrophysics (Zeldovich-90)" (Moscow, Russia, 2004), "The Obscured Universe" (Moscow, Russia, 2006), Всероссийских конференциях «Астрофизика высоких энергий: сегодня и завтра» (Москва, 2002, 2003, 2005), XI Школе молодых ученых "Актуальные проблемы физики" и I Школе-семинаре "Инновационные аспекты фундаментальных исследований".

По теме диссертации опубликовано пять работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, объединённых в четыре части, заключения и списка использованной литературы. Объем

диссертации -130 страниц, в том числе 32 рисунка и 19 таблиц. Список литературы содержит 140 ссылок.

Содержание работы

"Во Введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.

Первая часть диссертации состоит из одной главы, посвящённой краткому описанию орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, RXTE и ИНТЕГРАЛ и технических характеристик приборов в составе этих обсерваторий, данные с которых были использованы в работе. В этой главе также описана методика анализа данных, полученных телескопами IBIS и JEM-X орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ.

Рис.1. Спектры постоянного излучения источника MX 0836-42, построенные по данным телескопов JEM-X и ISGRI/IBIS орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ (штриховая линия) и детекторов РСА (3-20 кэВ) и HEXTE (20-60 кэВ) обсерватории RXTE (сплошные линии). Для удобства восприятия рисунка нормировки данных и модели в спектре за 14.03.2003 помножены на коэффициент 1/3.

') 10 ГМ 100

К (keV)

Вторая часть диссертации состоит из одной главы, посвященной описанию спектральной модели BDLE, предложенной для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивных рентгеновских двойных систем, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта. Модель учитывает две спектральные компоненты, связанные с излучением пограничного слоя-, образующегося в месте соприкосновения аккреционного диска и поверхности нейтронной звезды, и излучением собственно диска. Компоненты связаны между собой соотношением светимостей (в ньютоновском случае - просто равенством, отсюда название модели: Boundary layer - Disk Luminosity Equality). Поэтому форма и нормировка формирующихся интегральных

спектров полностью определяются лишь четырьмя параметрами: темпом аккреции, наклонением диска, температурой внешних слоев погранслоя и радиусом нейтронной звезды. Спектр погранслоя полагается комптонизованным - виновским либо тепловым, модифицированным рассеянием в экспоненциальной атмосфере. Существенно, что при рассматриваемых значениях темпа аккреции излучение центральных областей диска также является виновским, с температурой, заметно большей его эффективной температуры.

Модель ВРЬЕ была адаптирована для использования с известным пакетом НЕАвой и успешно применена к аппроксимации спектров, измеренных у реальных рентгеновских источников.

Третья часть посвящена исследованию рентгеновских барстеров и состоит из трёх глав.

В Первой главе впервые проведено всестороннее исследование транзиентного барстера МХ0836-429. От этого источника зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры, см. рис. 1) и временно й анализ излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Для всплесков, зарегистрированных спектрометром РСАЛЗХТЕ, построены временные истории потока излучения, температуры и радиуса излучающей области. Приближение спектра источника, построенного по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ, степенной моделью с экспоненциальным завалом на высоких энергиях в

ь.

-с

ю

Кт-щу <кс\')

К?. 1711 260

'■♦"И-

го

Рис.2. Спектр рентгеновского всплеска, зарегистрированного телескопом АРТ-П от источника КЭ1731-260 7 октября 1990 г. (заштрихованные кружки).

Экспозиция равна 13 с. Постоянное излучение источника вычтено (его спектр, усредненный по данному сеансу наблюдений, приведен незаштрихЬванными кружками для сравнения). Сплошная и штриховая кривые показывают результат наилучшей аппроксимации спектра чёрнотельным и виновским законами излучения.

диапазоне 3-120 кэВ даёт значения фотонного индекса а=1,46±0,08 и энергии степенного завала энергии завала Еси(=51,1±1,4кэВ. Показано существование двух спектральных состояний системы с различной жест-

Рис.з. Аппроксимация моделью EDLE спектра постоянного излучения источника К31731-260, измеренного 7 октября 1990 г. Сплошная и штриховая линия на рисунке (а) получены в предположении о двух видах спе!ггра излучения "погранслоя": виновским и экспоненциальной атмосферы, пунктирной линией показан спектр тромозного излучения оптически тонкой тепловой плазмы. Сплошная, штриховая и пунктирная линии на, рисунке (6) соответствуют полному спектру излучения в варианте модели В01_Е с экспоненциальной атмосферой и спектрам излучения "погранслоя" и аккреционного диска по отдельности.

костью и предложены возможные объяснения этому феномену. На основе величины потока излучения в максимуме самого яркого из зарегистрированных всплесков получена оценка сверху на расстояние до источника: 0-8 кпк. Анализ времени рекуррентности всплесков позволил определить параметр а~140 режима термоядерного горения, что характерно для рентгеновских всплесков, произошедших в результате взрывного горения гелия.

Во Второй главе проведен подробный спектральный анализ излучения барстера К81731-260 в спокойном состоянии и во время всплеска (рис. 2). Аппроксимация спектра всплеска моделью излучения чёрного тела даёт значение температуры и радиуса излучающей области кТьь=2,16±0,11 кэВ, Яьь=6,1±0,7 км (в предположении ■ расстояния до источника Р=7 кпк). Применение модели ВО!_Е (рис. 3), описанной во второй части диссертации, для приближения спектров постоянного излучения источника позволило определить . такие параметры системы, как темп аккреции вещества на нейтронную звезду, наклонение системы (-0,85), температура плазмы в пограничном слое и во внутренних областях аккреционного диска: Анализ всплесков в системе позволяет утверждать, что содержание водорода в области термоядерного взрыва на поверхности нейтронной звезды, явившегося причиной возникновения наблюдаемых всплесков, было значительным.

В Третьей главе по данным приборов обсерваторий ГРАНАТ и ИНТ{ЕГРАЛ проведён спектральный анализ рентгеновского барстера СХ354-0. По данным телескопа АРТ-П/ГРАНАТ обнаружено и исследовано два всплеска первого рода от этого источника. Получена оценка периода рекуррентности всплесков от источника Т-15 кс. Построен и аппроксимирован моделью излучения чёрного тела спектр одного из зарегистрированных всплесков.,

КС1ГЯ-К0 t&nj 173 £3-77 1 ГГ.ГЛ 7Э2-37Э SIX 1715 * 0°"" : J KS¡ I3RJI73644711 K? íT32-2»J OUM>J5-2«J ' • | o | ; jo mo rao

? ' ! СЯ5ЛТМ-2И охэп | 1 1 1 1 OX9«t 8 «Я5 tnt 232 i»

Рис.4. Изображения участка неба в поле зрения тёлескопа 1В1Э/15СЯ1, полученные 17 февраля 2004 г.: во время всплеска, зарегистрированного от ранее неизвестного барстера ЮИ Л7364-2711 (слева); и в течение всего сеанса наблюдений (за исключением момента всплеска) (справа). В первом случае экспозиция равна 10 с, во втором — более 93 ООО с. Оба изображения получены в диапазоне энергий 15...25 кэВ. Контуры показывают область достоверной регистрации источников на уровне отношения сигнала к шуму 3/М=4;4,7;5,5;6,5;7,6;8,9;... стандартных отклонений (даны с логарифмическим шагом 1,17).

Рис. 5. Распределение всплесков рентгеновского барстера СХ354-0 по значениям периода рекуррентности.

Г 1ЮЧГЧ

Четвёртая часть состоит из одной главы, которая посвящена поиску всплесков от рентгеновских барстеров по данным телескопа IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ, а также исследованию их свойств.

Проанализировано более 25 тысяч временных историй наблюдений, проведённых детектором 18СК1/1В18 в диапазоне энергии 15...25 кэВ. Обнаружено более 1900 всплесков, 390 из которых удалось отождествить с известными источниками рентгеновского излучения. Открыт один ранее неизвестный рентгеновский источник - барстер (рис. 4). Проведён подробный анализ 135 всплесков, зарегистрированных от рентгеновского барстера вХ354-0: • исследованы статистические распределения числа всплесков по их длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности (рис. 5).

В Заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Разработана, адаптирована для использования с пакетом НЕАэоА и апробирована модель В01_Е для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивных рентгеновских двойных, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта.

2. Впервые проведено всестороннее исследование транзиентного барстера МХ0836-429. От этого источника зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры) и временной анализ излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Показано существование двух спектральных состояний системы- с различной жесткостью. Получено значение верхнего предела на расстояние до источника: Р~8 кпк. На основе анализа времени рекуррентности всплесков определен параметр а 140 режима термоядерного горения, что характерно для рентгеновских всплесков, произошедших в результате взрывного горения гелия.

3. Проведен подробный спектральный анализ излучения барстера К3°1731-260 в спокойном состоянии и во время всплеска. В рамках спектральной модели ВР1-Е определены темп аккреции вещества на нейтронную звезду, наклонение системы, температура плазмы в пограничном слое и во внутренних областях аккреционного диска. Анализ всплесков в системе позволяет утвер>кдать, что содержание водорода в области термоядерного взрыва на поверхности нейтронной звезды, явившегося причиной возникновения наблюдаемых всплесков, было значительным.

4. Создан каталог рентгеновских всплесков, зарегистрированных в 2003-2005 гг. телескопом 130т/1В18 обсерватории ИНТЕГРАЛ в диапазоне энергий 15-25 кэВ. На временных историях скорости счета телескопа, записанных с разрешением 5 с, обнаружено 1900 всплесков, 390 из. которых удалось локализовать и связать с известными рентгеновскими источниками, в частности 207 - с известными рентгеновскими барстерами. Открыт новый рентгеновский барстер — ЮКЛ 7364-2711. Отмечена уникальность рентгеновского барстера 6X354-0: число всплесков от этого источника, зарегистрированных на энергиях выше 15 кэр, значительно превышает число подобных всплесков, зарегистрированных от других барстеров (более 65% от всех всплесков). Для этого источника исследованы статистические распределения числа всплесков по их длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности.

Список публикаций по теме диссертации

1. Человеков И.В., Лутовинов А.А., Гребенев С.А., Сюняев Р.А. Наблюдения рентгеновского барстера MX 0836-42 орбитальными обЬерваториями ИНТЕГРАЛ и RXTEII Письма в АЖ. 2005. Т. 31. №10. С. 764-779.

2. Человеков И.В., Гребенев С.А., Сюняев Р.А. Наблюдения рентгеновского источника KS 1731-260 телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТI/ Письма в АЖ. 2006. Т. 32. №3. С- 187-198.

3. Человеков И.В., Гребенев С.А., Сюняев Р.А. Каталог жестких рентгеновских всплесков, зарегистрированных телескопом IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ в 2003-2004 гг. // Письма в АЖ. 2006. Т. 32. №7. С. 509-530.

4. Chelovekov I.V., Grebenev S.A., Sunyaev R.A. Search for X-ray bursts in the INTEGRAL/IBIS data of 2003-2005 and discovery of the new X-ray burster IGR J17364-2711 //Proceedings of the 6th INTEGRAL Workshop "The Obscured Universe", 2006, ESA SP-622.

5. Grebenev S.A., Chelovekov I.V., Sunyaev R.A., Spectral model to describe the emission of bright LMXBs containing a neutron star // Proceedings of the

6.h INTEGRAL Workshop "The Obscured Universe", 2006, ESA SP-622.

Литература

Ван Хорн X. и лакеем 1С. (van Нош H Г.1. Hansen С J.) // Astrophysics! Journal 1974. V. 191. P. 479 Вусли С. и Таам P. (Woosley S.E., Тааш RE.) II Nature. 1976. V. 263. Р. 101.

Гильфанов ГЛ. и др. (Gilfanov М., Revnivtsev М„ Molkov S.) // Astronomy & Astrophysics 2003. V. 410. P. 217.

Джосс П. (Joss P.C.) П Natural977. V. 270. P. 310.

Лэмб Д. и Лэмб Ф. (Lamb D.Q., Lamb F.K.) И Astrophysical Journal.1978. V. 220. P 291.

Мараски Л. и Кавальори A. (Marashi L.. Cavaliers А) // "Highlights in astronomy". 19771 Ed E.A. Muller,

Reidel, Dordrecht, V. 4, Part I, P. 127.

Ханссн К. и ван Хорн X. (Hansen C.J., van Horn H.M.) II Astrophysical Journal.1975. V. 195. P. 735.

055/02/2 Ротапринт ИКИ PAH

_Москва, 117997, Профсоюзная, 84/32

__Подписано к печати 21.11.2006

Заказ 2062 Формат 70х 108/32 Тираж 100 0,5 уч.-изд.л.

2Û6&Â

Введение

I ОРБИТАЛЬНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ

1 ПРИБОРЫ ОРБИТАЛЬНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ОБСЕРВАТОРИЙ

1.1 ГРАНАТ.

1.1.1 Телескоп АРТ-П

1.2 RXTE.

1.2.1 Детектор PC А.

1.2.2 Детектор НЕХТЕ.

1.2.3 Монитор всего неба ASM.

1.3 ИНТЕГРАЛ.

1.3.1 Телескоп IBIS.

1.3.2 Рентгеновский монитор JEM-X.

II МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ЯРКИХ МАЛОМАССИВНЫХ ДВОЙНЫХ

2 СПЕКТРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ BDLE

2.1 Введение

2.2 Спектр погранслоя.

2.3 Модель с черпотельным диском.

2.4 Спектр центральной области диска.

2.5 Наблюдения.

2.6 Обсуждение

III РЕНТГЕНОВСКИЕ БАРСТЕРЫ

3 MX 0836

3.1 Введение

3.2 Наблюдения и анализ данных.

3.3 Спектр постоянного излучения.

3.4 Рентгеновские всплески.

3.5 Обсуждение

4 KS 1731

4.1 Введение

4.2 Наблюдения.

4.3 Спектр постоянного излучения.

4.4 Рентгеновские всплески.

4.5 Обсуждение

5 GX 354-0 (4U 1728-34)

5.1 Введение.

5.2 Наблюдения.

5.3 Рентгеновские всплески.

5.4 Спектр постоянного излучения.

5.5 Обсуждение

IV КАТАЛОГ РЕНТГЕНОВСКИХ ВСПЛЕСКОВ ПО ДАННЫМ ТЕЛЕСКОПА IBIS/ISGRI ОБСЕРВАТОРИИ ИНТЕГРАЛ ЗА 20032005 гг

6 КАТАЛОГ РЕНТГЕНОВСКИХ ВСПЛЕСКОВ

6.1 Введение.

6.2 Наблюдения и методы обработки данных

6.3 Результаты

6.3.1 Новый рентгеновский барстер.

6.3.2 Ранее известные барстеры

6.3.3 Другие источники всплесков.

6.4 Обсуждение.

Еще в 30-х годах XX века, вскоре после открытия нейтрона, было предсказано существование нейтронных звезд с радиусом ~ 10 км и плотностью, близкой к ядерной. Мощные гравитационные и магнитные поля, сверхвысокие плотности вещества и излучения, достижимые вблизи нейтронных звезд, делают их уникальными естественными лабораториями для исследования физических процессов в экстремальных условиях и проверки современных теорий.

Многие нейтронные звезды входят в состав двойных систем и излучают в рентгеновском и гамма-диапазопах за счет аккреции вещества звезды-спутника. Такие рентгеновские системы можно подразделить па два класса: массивные и маломассивпые (в англоязычной литературе приняты аббревиатуры НМХВ и LMXB соответственно). Маломассивные двойные рентгеновские системы, т.е. системы, состоящие из аккрецирующей нейтронной звезды и оптической звезды-спутпика, принадлежащей к позднему спектральному классу и имеющей массу порядка солнечной, образуют достаточно многочисленную группу среди рентгеновских источников Галактики. В качестве компактного объекта в такой системе может выступать либо нейтронная звезда, либо черпая дыра звездной массы. Далее мы рассматриваем LMXB-системы, компактным объектом в которых является нейтронная звезда. Свойства таких систем сильнейшим образом зависят от величины магнитного поля нейтронной звезды. Можно выделить два типа источников: молодые системы с сильным магнитным полем (В ~ 1012 Гс) и сравнительно старые системы со слабым полем (В ~ 109 Гс). Первые в подавляющем большинстве являются пульсарами, т.е. рентгеновскими источниками, от которых регистрируются периодически повторяющиеся импульсы излучения. Нас будут интересовать системы со слабым полем. Этот тип объектов очень разнообразен в своих проявлениях. Излучение, регистрируемое от таких объектов, может характеризоваться рентгеновскими всплесками (длительностью от нескольких секунд до десятков минут), мощными продолжительными вспышками (длящимися дни и даже месяцы), динами (резкими провалами па кривой блеска), наконец, квазнпериодическнми осцилляциямн потока излучения. От нескольких таких объектов были обнаружены кнлогерцевые квазнпернодпче-ские и когерентные пульсации, свидетельствующие о том, что нейтронные звезды в этих системах вращаются со скоростью несколько сот оборотов в секунду.

Большинство "слабых" LMXB, светимость которых составляет L ~ 1036 -1037 эрг/с, являются барстерами, т.е. источниками, демонстрирующими всплески рентгеновского излучения. Величина постоянного потока излучения от них, как правило, в несколько раз меньше, чем от "ярких" источников.

Теоретические модели рентгеновских всплесков основываются на рассмотрении процесса аккреции вещества на нейтронную звезду. Предложено два сценария всплеска. В одном энергия для вспышки черпается из ядерной энергии, запасенной в аккрецирующем веществе, выпавшем на поверхность нейтронной звезды. Во втором - высвобождается гравитационная потенциальная энергия палающего вещества. Существуют весомые доказательства того, что рентгеновские всплески I рода, характеризующиеся быстрым подъемом и медленным экспоненциальным спадом потока излучения, происходят за счет термоядерной неустойчивости оболочки нейтронной звезды. Неустойчивость аккреционного потока, вероятно, является причиной всплесков II рода, наблюдаемых, например, от известного источника "Быстрый барстер" (4U 1730-335).

В простой физической картине потенцналыюе ядерное топливо в виде водорода и гелия аккрецирует па нейтронную звезду с оптического компаньона. По мере накопления аккреционного вещества на поверхности звезды оказываемое им высокое давленые приводит к возникновению ядерных реакций, конечным результатом которых является образование ядер железа с плотностью р < 1011 г см-3. Переход в железо при широком диапазоне внешних условий носит взрывной характер. Из-за температурной зависимости скорости ядерных реакции эти слои подвержены термической неустойчивости, возникающей в результате экзотермических реакций. Высвобожденная ядерная энергия выносится па поверхность и становится ырпчнпой непродолжительных (порядка десятков секунд) рентгеновских вспышек - всплесков.

Термоядерная модель успешно описывает основные черты рентгеновских всплесков, в частности, малое время возрастания интенсивности излучения до максимума 1 с), долгое время квазиэкспоненциалыюго спада (~ 15 - 300 с), периоды повторения вспышек (несколько часов), энерговыделепие (~ 1039 Ю40 эрг), отношение энергии, выделяемой между всплесками, к энергии, выделяемой во время всплеска, ~ 100— 1000 , и смягчение спектра но мере спада интенсивности излучения. Сравнение экспериментальных данных с предсказаниями теории позволяет определить параметры, характеризующие область взрыва, — поверхность нейтронной звезды.

Постоянное излучение аккрецирующих нейтронных звезд со слабым магнитным полем формируется в двух геометрически разделенных областях вблизи звезды. Во-первых, это пограничный слой, который образуется в месте соприкосновения аккреционного диска и поверхности нейтронной звезды. Энерговыделепие в погранслое связано с резким уменьшением скорости аккрецирующего вещества с кеплеровской скорости на внутренней границе диска Q,K = (GM/i?3)1/2 до значительно меньшей скорости Q вращения самой звезды. На единицу массы вещества энерговыделепие составляет 0.5R2flK2 = 0.5MG/R. Во-вторых, это собственно аккреционный диск, излучающий за счет гравитационной энергии падающего вещества. Здесь выделяется тоже 0.5MG/R (в пределе ньютоновской гравитации), т.е. светимости погранслоя и аккреционного диска должны совпадать.

Разделение двух спектральных компонент и определение физических параметров системы стало важнейшей проблемой при исследовании постоянного рентгеновского излучения маломассивиых рентгеновских двойных. Недавно было предложено выделять излучение погранслоя нз общего спектра излучения системы с помощью частотно-разрешенной рентгеновской фурье-спектроскопни ([21]). Предполагалось, что излучение аккреционного диска должно характеризоваться меньшей степенью хаотической перемен-ности по сравнению с излучением погранслоя в диапазоне фурье-частот / > 0.5 — 1 Гц и может вносить свой вклад в общую переменность потока излучения лишь в области малых фурье-частот. Считая спектр излучения погранслоя равным пе-ренормироваппому частотно-разрешенному спектру, что верно с заранее неизвестной точностью, можно разделить две компоненты спектра.

Во второй главе диссертации предлагается способ решения дайной задачи.

Структура диссертации

Диссертация состоит из четырех частей.

Первая часть диссертации состоит из одной главы, посвящ£шюй краткому описанию орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, RXTE и ИНТЕГРАЛ и технических характеристик приборов в составе этих обсерваторий, данные с которых были использованы в работе.

Вторая часть диссертации состоит из одной главы, посвященной описанию спектральной модели BDLE, предложенной для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивных рентгеновских двойных систем, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта. Модель учитывает две спектральные компоненты, связанные с излучением пограничного слоя, образующегося в месте соприкосновения аккреционного диска и поверхности нейтронной звезды, и излучением собственно диска. Компоненты связаны между собой соотношением светимостей (в ньютоновском случае — просто равенством, отсюда название модели: Boundary layer — Disk Luminosity Equality). Поэтому форма и нормировка формирующихся интегральных спектров полиостью определяются лишь четырьмя параметрами: темпом аккреции, наклонением диска, температурой внешних слоев ногранслоя и радиусом нейтронной звезды. Спектр ногранслоя полагается комптопизован-иым - виповским либо тепловым, модифицированным рассеянием в экспоненциальной атмосфере. Существенно, что при рассматриваемых значениях темпа аккреции излучение центральных областей диска также является виповским, с температурой, заметно большей его эффективной температуры.

Модель BDLE была адаптирована для использования с известным пакетом HEAsoft и успешно применена к аппроксимации спектров, измеренных у реальных рентгеновских источников.

Третья часть диссертации состоит из одной главы, посвященной изучению отдельных барстеров, т.е. маломассивных двойных систем, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта, в потоке рентгеновского излучения от которых наблюдаются всплески. Рассмотрены временное и спектральное поведение барстеров МХ0836-42, KS1731-260 и GX354-0 в спокойном состоянии и во время всплеска.

Четвертая часть диссертации состоит из одной главы, которая посвящена попеку всплесков от рентгеновских барстеров по данным телескопа IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ, а также исследованию их свойств. Проанализировано более 25 тысяч временных историй наблюдений, проведенных детектором IS-GRI/IBIS в диапазоне энергий 15-25 кэВ. Обнаружено более 1900 всплесков, 390 из которых удалось отождествить с известными источниками рентгеновского излучения. Открыт одни ранее неизвестный рентгеновский источник - бар-стер. Проведен подробный анализ более 60 всплесков, зарегистрированных от рентгеновского барстера GX354-0: исследованы статистические распределения числа всплесков но нх длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности.

Часть I

ОРБИТАЛЬНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ

Основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Разработана, адаптировала для использования с пакетом HEAsoft и апробирована модель BDLE для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивиых рептгеповскнх двойных, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта.

2. Впервые проведено всестороннее исследование транзнентиого барстера MX 0836-429. От этого источника зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры) и временной апалнз излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Показано существование двух спектральных состояний системы с различной жесткостью. Получено значение верхнего предела па расстояние до источника: D~8 кпк. На основе анализа времени рекуррентности всплесков определен параметр а ~ 140 режима термоядерного горения, что характерно для рентгеновских всплесков, произошедших в результате взрывного горения гелия.

3. Проведен подробный спектральный анализ излучения барстера KS 1731-260 в спокойном состоянии и во время всплеска. В рамках спектральной модели BDLE определены темп аккреции вещества на нейтронную звезду, наклонение системы, температура плазмы в пограничном слое и во внутренних областях аккреционного диска. Анализ всплесков в системе позволяет утверждать, что содержание водорода в области термоядерного взрыва на поверхности нейтронной звезды, явившегося причиной возникновения наблюдаемых всплесков, было значительным.

4. Создай каталог рентгеновских всплесков, зарегистрированных в 2003-2005 гг. телескопом IBIS/ISGRI обсерватории ИНТЕГРАЛ в диапазоне энергий 15-25 кэВ. На временных историях скорости счета телескопа, записанных с разрешением 5 с, обнаружено 1900 всплесков, 390 из которых удалось локализовать и связать с известными рентгеновскими источниками, в частности 207 — с известными рентгеновскими барстерамн. Открыт новый рептгеповскнй барстер — IGRJ17364-2711. Отмечена уникальность рентгеновского барстера GX 354-0: число всплесков от этого источника, зарегистрированных па энергиях выше 15 кэВ, значительно превышает число подобных всплесков, зарегистрированных от других барстеров (более 65% от всех всплесков). Для этого источника исследованы статистические распределения числа всплесков по их длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. (H.J1. Александрович, М.Г. Ревнивцев, В.А. Арефьев и др.), Письма в Астрой, жури, v.28, 5, pp. 323-330 (2002).

2. Т. Aoki, Т. Dotani, К. Ebisawa, et al.), Publ. Astron. Soc. Japan 44,641 (1992).

3. A. Babul, B. Paczynski), Astrophys. J. 323,582 (1987).

4. E. M. Basinska, W. H. G. Lewin, M. Sztajno, et al.), Astrophys. J. 281, 337 1984).

5. A. Bazzano, M. Cocchi, P. Ubertini, et al.), IAUC 6668, 2 (1997). D. Barret, G. Vedrenne), ApS 92, 505 (1994).

6. D. Barret, C. Motch and P. Predehl), Astron. Astrophys. 329, 965 (1998).

7. G. Belanger, A. Goldwurm, P. Goldoni), Astrophys. J.601,163 (2004). R.D. Belian, J.P. Conner, W.D. Evans), Astrophys. J. 206, L135 (1976). T. Belloni, G. Hasinger, W. Pietcch, et al.), Astron. Astrophys. 271,487 (1993). L. Bildsten), 2000arxt.confE.65B

8. C. F. Bradshaw, E. B. Fomalont, B.J. Geldzahler), Astrophys. J.512, L121 1999).

9. N. White, L. Stella, A. Parmar), Astrophys. J. 324, 363 (1988). M. Van der Klis, G. Hasinger, E. Damen, et al.), Astrophys. J. 360, 19 (1990). CJ. van Paradijs), Nature 274, 650 (1978).

10. H.M. van Horn, C.J. Hansen), Astrophys. J. 191, 479-482 (1974).

11. R.A.D. Wijnands and M. Van der Klis), Astrophys. J. 482, 65 (1997).

12. R.A.D. Wijnands, J.M. Miller, C. Markwardt, et al.), Astrophys. J. 560,159-162 2001).

13. C. Winkler, T.J.-L. Courvoisier, G. Di Cocco, et al.), Astron. Astrophys. 411, LI (2003).

14. S.E. Woosley, R.E. Taam), Nature 263, 101 (1976).

15. M. Gilfanov, M. Revnivtsev, S. Molkov), Astron. Astrophys. 410, 217 (2003).

16. O-J-M. in't Zand, L. Heise, A.C. Brinkman, et al), AdSpR 11, 187 (1991).

17. O-J-M. in't Zand, L. Heise, A. Bazzano, et al.), IAU Circ. 7243 (1999).

18. Е. Kellogg, Н. Gursky, S. Murray, et al.), Astrophys. J.Lett. 169, L99 (1971).

19. A. Claret, A. Goldwurm, B. Cordier, et al.), Astrophys. J.Lett. 423,436 (1994).

20. Cominsky, C.Jones, W. Forman, .H. Tananbaum), Astrophys. J. 224, 46 1978).

21. A.C. Компанеец), ЖЭТФ 31, 876 (1956).

22. R. Cornelisse, F. Verbunt, J.J.M. in't Zand, et al.), Astron. Astrophys. 392, 885 2002).

23. M. Cocchi, L. Natalucci, J.J.M. in't Zand, et al.), IAU Circ. 7247 (1999). M. Cocchi, A. Bazzano, L. Natalucci, et al.), Astron. Astrophys. 378,37 (2001). К. Koyama, H. Inoue, K. Makishima, et al.), Astrophys. J. 247, L27-L29 (1981).

24. D.J. Christian, J. H. Swank), Astrophys.J. Suppl. Ser. 109,177 (1997).

25. E. Kuulkers, J. J. M. in't Zand, M. H. van Kerkwijk, et al.), Astron. Astrophys. 382, 503 (2002).

26. И.И. Лаиидус, P.A. Сюняев, Л.Г. Титарчук, и др.),Письма в Астрой, жури. 18, 30(1992).

27. R.A. London, W.M. Howard and R.E. Taam), Astrophys. J. 287, 27 (1984).

28. R.A. London, R.E. Taam and W.M. Howard), Astrophys. J. 306, 170 (1986).

29. N. Lund, S. Brandt, C. Budtz-Joergesen, et al.), Astron. Astrophys. 411, 231 2003).

30. A. Lutovinov, S. Grebenev, S. Molkov and R. Sunyaev), ANS 324, 337 (2003).

31. A. Lutovinov, M.C. Bel, G.S. Belanger, et al.), ATEL 328, 1 (2004).

32. W. H. G. Lewin, J. van Paradijs, L. Cominsky, S. Holzner), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 193, 15(1980).

33. W. H. G. Lewin, P. C. Joss), Space Sci. Rev. 28, pp.3-87 (1981).

34. W. H. G. Lewin, W. Penninx, J. van Paradijs, et al.), Astrophys. J. 319, 893 1987).

35. W. H. G. Lewin, J. van Paradijs and R.E. Taam), Space Sci. Rev.62, 223 (1993).

36. D.Q. Lamb and F.K. Lamb), Astrophys. J.220, 291 (1978).

37. P. Magdziarz, A.A. Zdziarski), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 273, 837 (1995).

38. K. Makishima, H. Inoue, K. Koyama, et al.), Astrophys. J. 255, 49-53 (1982).

39. K. Makishima, K. Mitsuda, H. Inoue), Astrophys. J. 267, 310 (1983).

40. H. Marshall, F.K. Li, S. Rappaport), IAU Circ. 3141 (1977).

41. G-H- Swank, R.H. Becker, S.H. Pravdo, et al.), IAU Circ. 3010 (1976).

42. G-A. Hoffman, W.H.G. Lewin, J. Doty, et al.), Astrophys. J. 210, L13 (1976).

43. G-A. Hoffman, W.H.G. Lewin, J. Doty), Astrophys. J. 217, L23-L28 (1977).

44. G-A. Hoffman, H. L. Marshall, W. H.G. Lewin), Nature 271, 630 (1978).

45. О- A. Hoffman, W. Н. G. Lcwin, F. A. Primini, et al.), Astrophys. J. 233, L511979).