авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Свойства рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звёзд со слабым магнитным полем по данным орбитальных обсерваторий гранат, интеграл и rxte

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи








Человеков Иван Васильевич




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

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)

доктор физ.-мат. наук Иногамов Наиль Алимович

(ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН)

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-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 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 K=(GM/R3)1/2 до значительно меньшей скорости вращения самой звезды. На единицу массы вещества энерговыделение составляет R2K2=GM/R. Во-вторых, это собственно аккреционный диск, излучающий за счет гравитационной энергии падающего вещества. Здесь выделяется тоже GM/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 f0,5-1 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.

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 временной 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 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.

 Спектры постоянного излуче-ния-0

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.

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 BDLE была адаптирована для использования с известным пакетом HEAsoft 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 MX0836-429. От этого источника зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры, см. рис. 1) и временной анализ излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Для всплесков, зарегистрированных спектрометром PCA/RXTE, 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

 Спектр рентгеновского всплеска,-1

Рис.2. Спектр рентгеновского всплеска, зарегистрированного телескопом АРТ-П от источника KS1731-260 7 октября 1990 г. (заштрихованные кружки). Экспозиция равна 13 с. Постоянное излучение источника вычтено (его спектр, усредненный по данному сеансу наблюдений, приведен незаштрихованными 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 =1,46±0,08 и энергии степенного завала энергии завала Ecut=51,1±1,4кэВ. Показано существование двух спектральных состояний системы с различной жест-

Рис.3. Аппроксимация моделью BDLE спектра постоянного излучения источника KS1731-260, измеренного 7 октября 1990 г. Сплошная и штриховая линия на рисунке (а) получены в предположении о двух видах спектра излучения ``погранслоя'': виновским и экспоненциальной атмосферы, пунктирной линией показан спектр тромозного излучения оптически тонкой тепловой плазмы. Сплошная, штриховая и пунктирная линии на рисунке (б) соответствуют полному спектру излучения в варианте модели BDLE с экспоненциальной атмосферой и спектрам излучения ``погранслоя'' и аккреционного диска по отдельности.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.