Свойства рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звёзд со слабым магнитным полем по данным орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, ИНТЕГРАЛ и RXTE
Человеков Иван Васильевич
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Еще в 30-х годах XX века, вскоре после открытия нейтрона, было предсказано существование нейтронных звезд c 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 экстремаль-ных 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 HMXB и LMXB 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 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 (B~1012 Гс) и сравнительно старые системы со слабым полем (B~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" LMXB, светимость которых составляет L~1036-1037 эрг/с, являются барстерами, т.е. источниками, демонстри-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 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).
Х. ван Хорн, К. Хансен (1974) и К. Хансен, Х. 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 с?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 c), периоды повторения вспышек (несколько часов), энерговыделение (~1039…1040 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, 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. Энерговыделение в погранслое связано с резким уменьшением скорости аккрецирующего вещества с кеплеровской скорости на внутренней границе диска ЩK=(GM/R3)1/2 до значительно меньшей скорости Щ вращения самой звезды. На единицу массы вещества энерговыделение составляет ЅR2ЩK2=ЅGM/R. Во-вторых, это собственно аккреционный диск, излучающий за счет гравитационной энергии падающего вещества. Здесь выделяется тоже ЅGM/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 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 f?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 PCA 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. рентгеновский излучение орбитальный обсерватория
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 MX0836-429: зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры) и временномй 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 б?140 режима термоядерного горения.
Проведен 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 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.
Создан каталог жестких рентгеновских всплесков, зарегистри-рованных от барстеров телескопом ISGRI/IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ в диапазоне энергий 15-25 кэВ в 2003-2005 гг. Открыт новый рентгеновский источник-барстер IGRJ17364-2711. Отмечена уникаль-ность рентгеновского барстера GX354-0: 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 HEAsoft спектральная модель BDLE. 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 излуче-ния источника MX 0836-42, постро-енные по данным телескопов JEM-X и ISGRI/IBIS орбитальной обсерва-тории ИНТЕГРАЛ (штриховая линия) и детекторов PCA (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 коэф-фициент 1/3.