Характеристики пеpиодических пpоцессов в жестком излучении pентгеновских двойных звезд по данным эксперимента на станции прогноз-9

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

на правах рукописи

Богомолов Виталий Владимирович

Характеристики пеpиодических пpоцессов в жестком излучении pентгеновских двойных звезд по данным эксперимента на станции "Прогноз-9"

01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

к.ф.-м.н. Кудрявцев Михаил Иванович

Москва, 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им.

Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Кудрявцев Михаил Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Липунов Владимир Михайлович

кандидат физико-математических наук

Акимов Валерий Васильевич

Ведущая организация: Институт Астрономии Российской

академии наук

Защита состоится _________________ 1999 года в _____ час.

в Институте Космических исследований Российской академии наук по адресу:

Москва, ГСП-7, Профсоюзная 84/32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан _________________ 1999 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета к.т.н. Нестеров В.Е.

Общая характеристика работы.

Цель работы. Настоящая работа посвящена поиску и исследованию характеристик периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении (10-200 кэВ) астрофизических источников. Поиск осуществлялся на основе базы данных, полученной в эксперименте на станции «Прогноз-9», в ходе которого в течение нескольких месяцев проводились непрерывные наблюдения областей неба в районе центра Галактики, галактического антицентра, а также удаленных от галактической плоскости.

Актуальность проблемы. Наблюдение периодических процессов в рентгеновском излучении галактических источников позволяет получать информацию о физических процессах в тесных двойных звездных системах. Исследование периодических процессов в часовом и суточном (несколько суток) диапазоне периодов актуально, поскольку согласно имеющимся представлениям именно в этом диапазоне лежат величины орбитальных периодов тесных двойных систем. Исследование периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении таких систем может способствовать идентификации оптического компонента, построению динамической модели системы, определению массы компактного объекта, а также дать информацию об энергетике процессов в таких объектах, о характере обмена энергией и импульсом между ее компонентами.

Важным представляется вопрос о наличии периодических составляющих в транзиентных источниках и их свойствах. Особенно актуально исследование в этом направлении рентгеновских новых, многие из которых, согласно имеющимся оценкам массы компактного объекта, относятся к кандидатам в черные дыры. В настоящее время известны случаи наблюдения периодических процессов в рентгеновском излучении таких источников, тем не менее эта проблема требует дальнейших исследований. Важно выяснить, насколько часто могут наблюдаться периодические процессы во время вспышек рентгеновских новых и каким образом меняются их характеристики.

По-прежнему остается открытым вопрос о том, каковы максимальные периоды пульсаров, а также сколь малы могут быть орбитальные периоды тесных двойных. Исследования периодических составляющих по данным эксперимента на станции «Прогноз-9» относятся именно к тому диапазону периодов, где должны находиться наиболее медленные пульсары и наиболее быстрые орбитальные периодичности. Анализ формы фазовых кривых, в частности, ее зависимости от энергии, позволяет понять, связано ли существование периодических процессов с орбитальным движением компонентов системы, или же эти процессы имеют другую природу.

Исследования рентгеновских процессов часового диапазона на космических аппаратах, имеющих низкие орбиты, на которых проводятся многие рентгеновские эксперименты, затруднены ввиду того, что в этом диапазоне, как правило, находятся периоды обращения низкоорбитальных спутников вокруг Земли. Благодаря особенностям орбиты станции «Прогноз-9» (высоко апогейный – ~700000 км космический аппарат с периодом обращения 27 сут. и малым временем пребывания в областях захваченной радиации), в данном эксперименте были обеспечены благоприятные возможности для изучения подобных процессов.

Основная масса сведений о временных характеристиках рентгеновских звезд до сих пор получена из наблюдений в диапазоне энергий ~2.0–20 кэВ и значительно меньше – в более жесткой области. Поэтому данные о спектральных характеристиках периодических источников в диапазоне 10-200кэВ, полученные в эксперименте на станции «Прогноз-9» также представляются актуальными.

С решением научных проблем тесно связана методическая проблема улучшения чувствительности экспериментов, проводящих поиск периодических процессов. В частности, очевидна необходимость анализа фонообразующих факторов не только с точки зрения определения среднего потока излучения от источника, но с целью выяснения того, какое влияние оказывают всевозможные вариации фоновых компонентов на поиск регулярных процессов астрофизической природы. Дополнительно можно отметить актуальность практического использования непараметрических методов поиска периодичностей, применявшихся в данной работе, чувствительность которых слабо зависит от формы фазовой кривой.

Новизна работы.

1. Применительно к данным «Прогноз-9» разработан и использован специальный непараметрический метод поиска периодических составляющих в широком диапазоне периодов часового и суточного диапазона 0.5-200ч.
2. Проведен анализ влияния фоновых факторов, связанных с вариациями потока частиц и с солнечной активностью на результаты поиска периодических составляющих в эксперименте с широкоугольным рентгеновским спектрометром. Особое внимание уделено исследованию шума Галактики как источнику ошибок при поиске периодических процессов.
3. Разработан и использован новый метод оценки достоверности периодических составляющих, основанный на вычислении коэффициента корреляции «четных» и «нечетных» фазовых профилей. Сопоставление формы четного и нечетного профилей было использовано для выявления фазовых особенностей формы средних кривых блеска.
4. Обнаружены ранее не наблюдавшиеся процессы часового диапазона с периодами 8.04ч., 4.38ч. и 1.47ч.
5. Произведена идентификация наблюдавшихся в эксперименте “Прогноз-9” процессов 62ч.=J1655-40, 152ч.=H1705-25, 8.2ч=Cen X-4, 13.3ч.=4U1543-47. Получены свидетельства об активности этих транзиентных объектов в период проведения эксперимента.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты разработки непараметрического метода поиска периодических составляющих были использованы для анализа информации, полученной с помощью рентгеновского спектрометра, работавшего на станции «Прогноз-9». В дальнейшем с помощью этого метода предполагается расширение диапазона поиска периодичностей по данным «Прогноз-9» в область более коротких периодов, соответствующих пульсарам. Планируется применение того же метода (в адаптированном виде) для анализа информации, полученной в 1995-1997гг. с аналогичного прибора в эксперименте на станции «Мир» (модуль «Спектр»).

Полученный в результате работы каталог периодических составляющих, наблюдавшихся в эксперименте “Прогноз-9”, является достаточно представительным. В нем присутствует 13 процессов, среди которых 5 процессов суточного диапазона и 8 процессов часового диапазона периодов. Получены указания об идентификации 6 процессов с известными объектами, среди которых 4 рентгеновские новые. Все это представляет интерес для дальнейшего уточнения теоретических моделей ряда астрофизических объектов.

Разработанная автором методика поиска периодических процессов может быть использована для анализа других временных рядов, подобных рядам данных спутника «Прогноз-9». Это могут быть результаты наблюдений как в астрофизике, так и в других областях исследований, поэтому разработанный метод анализа может иметь практическое значение.

На защиту выносятся:

1. Методические решения, найденные в ходе исследования периодических процессов, наблюдавшихся в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9»:

• Непараметрический метод поиска периодических процессов в широком диапазоне периодов 0.5-200ч., разработанный применительно к данным рентгеновского спектрометра на борту станции «Прогноз-9».
• Метод режекции компонентов фона, связанных с вариациями потоков заряженных частиц и солнечной активностью.
• Характеристики шума жесткого излучения Галактики и метод учета галактического шума при определении характеристик периодических процессов.
• Критерий выделения периодических процессов, связанных с галактическими рентгеновскими объектами, включая метод сравнения «четных» и «нечетных» фазовых профилей.

2. Каталог периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении источников района центра Галактики, их основные временные и спектральные характеристики. Обнаружение ранее не наблюдавшихся процессов часового диапазона периодов: 8.04ч., 4.38ч. и 1.47ч.

3. Верхние пределы на потоки периодических составляющих из области галактического антицентра и других удаленных от центра Галактики областей неба, обзор которых проводился в данном эксперименте.

4. Средние фазовые профили наблюдаемых периодических процессов. Структура фазовых профилей процессов с периодами 152ч., 62ч. и 8.04ч.

5. Идентификация ряда процессов, наблюдавшихся в эксперименте «Прогноз-9», с известными астрофизическими объектами: 62ч.=GRO J1655-40, 152ч.=H1705-25, 13.3ч.=4U1543-47. Идентификация основана на оценках местоположения, близости величины периода к значениям, взятым из других наблюдений, а также сходстве спектральных характеристик

Апробация работы.

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научной ассамблее COSPAR, международной конференции по космическим лучам, международной школе по астрофизике космических лучей, а также на научных семинарах НИИЯФ МГУ и Ломоносовских чтениях.

Публикации.

Основные результаты диссертации содержатся в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 121 страниц, включая 29 рисунков, 3 таблицы и список литературы на 9 стр. ( 161 наименование).

Содержание диссертации.

Во введении кратко характеризуется актуальность исследования периодических процессов в жестком рентгеновском излучении астрофизических объектов, указываются цели выполненной работы, отмечается научная значимость и новизна работы, формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дан литературный обзор исследования временных явлений в рентгеновской астрономии, рассмотрена природа возникновения периодических процессов в излучении рентгеновских двойных звезд, изложены достижения наблюдательной рентгеновской астрономии в исследовании рентгеновских пульсаров и двойных систем-кандидатов в черные дыры.

Важными этапами изучения временных явлений в рентгеновской астрономии стали составление каталога более 300 объектов в эксперименте «Ухуру», открытие в том же эксперименте затменных рентгеновских двойных систем и рентгеновских пульсаров, изучение барстеров на спутниках SAS-3 и OSO-8, исследование рентгеновских новых и пульсаров на ИСЗ «Ариель-5». В эксперименте EXOSAT были обнаружены квазипериодические осцилляции, имеющие масштаб переменности от долей герца до десятков герц. С помощью прибора А4 на спутнике НЕАО-1 был составлен каталог жестких (>13 кэВ) источников. Много важной информации было получено на спутниках «Гинга», «Тенма» и «Хаккучо».

Телескопы с кодирующей маской ТТМ на модуле «Квант» и «Сигма» на спутнике «Гранат» дали возможность подробного картографирования различных областей неба. В эксперименте BATSE при большой площади детекторов был реализован мониторинг дискретных источников за счет использования их затмения Землей. В частности, были получены важные результаты об обмене угловым моментом в стационарных и транзиентных пульсарах. Многолетние наблюдения ВАТSE (>2000ч) дали возможность исследовать долгопериодические процессы вплоть до периода в несколько сот суток.

Примером совместного анализа данных Uhuru, EXOSAT, BATSE и др. стало открытие медленного дрейфа орбитального периода 4U1700-37. В настоящее время приносит новые результаты обсерватория RXTE, специализированная на изучении временных явлений. С ее помощью уже были подтверждены ряд орбитальных и долговременных периодичностей, наблюдались дипы и квазипериодические осцилляции в излучении ряда объектов.

По современным представлениям основным классом галактических рентгеновских источников являются двойные звездные системы, состоящие из обычной звезды и релятивистского компактного объекта, в качестве которого рассматривается белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Надежное определение типа компактного объекта в исследуемых двойных системах остается одной из наиболее актуальных проблем, стоящих перед наблюдательной рентгеновской астрономией. Для ее решения в каждом случае необходимо разрабатывать детальную модель системы, включая определение массы рентгеновской и оптической звезд, расстояние между ними, наклонение орбиты, наличие и расположение аккреционного диска и т.п. Как правило определение некоторых параметров удается произвести из оптических наблюдений, возможных после отождествления рентгеновского источника с оптической звездой. Надежноcть отождествления гарантируется обнаружением совпадения временных свойств в оптическом и жестком излучении: одновременном наблюдении вспышки, корреляции потоков рентгеновского излучения с оптической яркостью или наблюдением периодических процессов с совпадающей величиной периода.

Периодические процессы, наблюдаемые в жестком излучении рентгеновских двойных систем, могут быть вызваны следующими основными причинами.

Орбитальное движение компонентов может приводить к периодическим изменениям потока рентгеновского излучения, связанным с затмениями области излучения обычной звездой. Характерные времена периодов, возникающих при этом, лежат в суточном диапазоне для массивных двойных систем и в часовом диапазоне для маломассивных. Фазовые зависимости, характеризующие периодичности затменной природы, имеют вид провалов прямоугольной или сглаженной формы. Наблюдаются также незатменные модуляции потоков жесткого излучения с периодом, равным орбитальному, вследствие, например, изменения расстояния между компонентами системы, приводящего к периодическим вариациям темпа аккреции.

Вращение магнитной нейтронной звезды приводит к возникновению феномена рентгеновских пульсаров в двойных системах. Величины периодов пульсаров лежат в диапазоне от долей секунды до сотен секунд. Фазовые профили могут иметь как отдельные узкие пики, так и широкие максимумы, в том числе более одного.

Прецессия аккреционного диска приводит к процессам, характеризуемым большими периодами, чем орбитальные. В частности, именно прецессия предлагается как один из вариантов объяснения долгопериодических вариаций в излучении источников Cen X-3, Her X-1 и др.

Периодические процессы могут проявляться в жестком излучении как рентгеновских двойных систем с нейтронными звездами, так и кандидатов в черные дыры. При этом неизбежно должны возникать различия, связанные с наличием большего гравитационного потенциала и отсутствием твердой поверхности и сильного магнитного поля компактного объекта в случаях аккреции на черную дыру.

В пульсарах сильное магнитное поле (порядка 1011-1013 Гаусс) заставляет вещество падать на нейтронную звезду вдоль линий магнитного поля к полюсам. Несовпадение оси вращения нейтронной звезды и дипольного поля приводит к возникновению пульсирующего излучения. Наличие углового момента у падающего вещества, а также взаимодействие между падающим потоком и магнитным полем, вызывает изменение момента у нейтронной звезды, которое приводит к наблюдаемым изменениям периода пульсаций за несколько дней.

В настоящее время известно 44 пульсара в двойных системах с периодом пульсаций от 0.069 с до 1413 с, 26 из которых являются транзиентными источниками. Все пульсары можно разделить на группы, различающиеся массой звезды-донора: мало-массивные системы (Мкомп2.5М) и системы с большой массой (Мкомп6М). Массивные двойные системы могут быть разделены на те, которые содержат в качестве компаньона Ве-звезду главной последовательности и на системы с ОВ-супергигантом на поздней стадии эволюции. Системы, включающие звезду-супергигант, могут быть в свою очередь разделены на объекты, в которых звезда-компаньон заполняет полость Роша (дисковые аккреторы) и на системы, в которых аккреция идет из звездного ветра. Каждый из указанных классов занимает определенную область на диаграмме Pspin-Porb.

Системы с супергигантами, заполняющими полость Роша, характеризуются короткими периодами пульсаций (Pspin 10с) и относительно малыми значениями орбитального периода (Porb 4дней). Они светят постоянно, имеют светимость L1037эрг/c, при этом у них наблюдаются продолжительные интервалы (Porb) относительно постоянного момента вращения. Системы, в которых аккреция идет из звездного ветра, характеризуются большими значениями орбитального периода и периода пульсаций. Они также излучают постоянно, но с меньшей интенсивностью (L1035-1037 эрг/с), при этом у них наблюдаются быстрые (Porb ) флуктуации вращательного момента, ускорение пульсаций сменяется замедлением и наоборот. Пульсары с Ве-компонентами демонстрируют корреляцию между орбитальным периодом и периодом пульсаций. Они являются транзиентами, вспышки которых соответствуют прохождению периастра в процессе движения по эксцентричной орбите. Маломассивные системы по своим свойствам сильно отличаются друг от друга. Наконец, также обсуждается существование класса пульсаров с периодом пульсаций ~6 с, ничем не указывающих на наличие звезды-компаньона.

К кандидатам в черные дыры с наиболее надежно определенной массой можно отнести следующие рентгеновские двойные системы, оптические компоненты которых являются звездами различных типов: О-В сверхгиганты (Cyg Х-1, LMC Х-З, LMC Х-1), звезды Вольфа-Райе (Cyg Х-З), мало-массивные M-F звезды (системы А0620-00, V404 Cyg, XN Mus 1991, QZ Vul, XN Sco 1994, XN Oph 1977, XN Per 1992) В тех случаях, когда спутником является массивная горячая оптическая звезда спектрального класса О-В или звезда WR, рентгеновский источник квазистационарен. Во всех системах, у которых спутники — маломассивные холодные звезды поздних спектральных классов M-F рентгеновский источник является транзиентным.