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

Третьим, практически неустранимым, фонообразующим фактором является переменность в излучении самих астрофизических источников. Чтобы оценить ее величину, было проведено сравнение шумовых частотных спектров, полученных для одинаковых по длительности интервалов наблюдений областей неба, удаленных от галактического экватора, галактического «антицентра» и центра. Как и следовало ожидать, частотный спектр, относящийся к наблюдениям областей неба, не содержащих галактических рентгеновских источников, практически представляет собой спектр типа «белый шум», и объясняется преимущественно «дробовым» разбросом измеренных значений скоростей счета. Частотные спектры, полученные для интервалов наблюдений Галактического антицентра и, особенно, центра Галактики заметно отличаются от равномерного и определяются совокупным излучением множества рентгеновских источников. Именно этим фонообразующим фактором определяется в конечном итоге чувствительность эксперимента по поиску периодических процессов.

Главным критерием, позволяющим сделать вывод о наличии периодического процесса, является присутствие на периодограмме или на частотном спектре пика достаточной амплитуды. Согласно выбранной процедуре отбора по амплитуде каждой точке на спектре приписывалось ее отклонение от среднего значения (Nср(T)), нормированное на корень из дисперсии (лок(Т)), вычисленной в той области спектра, где находится данная точка:
N(Т)=(N-Nср)/лок. В таком представлении величина порогового уровня также выражалась числом стандартных отклонений, и это число было одинаковым для любых частот. Величины Nср(T) и лок(Т) вычислялись вблизи каждой точки спектра на участке, длина которого в 100-200 раз превышала величину разрешения по частоте в данной области спектра.

Для того, чтобы все выделенные источники были достоверными, амплитудный критерий был выбран достаточно жестким. Было заложено требование: вероятность того, что при просмотре всей информации со станции «Прогноз-9» хотя бы один случайный пик превысит указанную амплитуду, должна быть не более 1%. Считая, что в процессе обработки должны быть проанализированы около 20 частотных спектров, соответствующих 1-2 неделям наблюдений, и что каждый из них (для периодов, лежащих в диапазоне 0.5 – 50 часов) содержит 1000 независимых точек (с учетом конечного частотного разрешения), можно сделать вывод, что вероятность превышения пороговой амплитуды для одной точки не должна превышать 510-7. Для нормального распределения это соответствует 5 стандартным отклонениям, поэтому пороговый уровень был выбран равным 5лок.

Для подтверждения того, что в анализируемых данных действительно присутствует регулярный периодический процесс, было привлечено сопоставление результатов обработки одним и тем же способом независимых временных рядов. Такая проверка реализуется путем сопоставления фазовых профилей, построенных при раздельном усреднении данных, соответствующих только четным и только нечетным временным отрезкам. Эти фазовые профили, поставленные друг за другом, составляют среднюю фазовую зависимость, соответствующую удвоенному периоду.

Количественным параметром, характеризующим подобие «четных» и «нечетных» профилей, является коэффициент корреляции k между последовательностями чисел, их составляющих. Исходя из ожидаемой формы фазовых профилей, было решено вычислять коэффициент корреляции для профилей, разбитых на 40 независимых отрезков, если длина этих отрезков превышает длительность интервала усреднения исходного ряда. Для более коротких периодов число независимых отрезков определялось величиной интервала усреднения. Величина коэффициента корреляции четных и нечетных профилей в случае, когда на исходном ряду одновременно присутствует периодический процесс и случайный процесс, в среднем должна быть равна: k=2пер/(2пер+2случ), где 2пер – амплитуда в области пика, а 2случ – средняя амплитуда вне пика. Для пиков, удовлетворяющих амплитудному критерию и не являющихся гармониками других процессов значения коэффициента k оказались действительно близки к величинам, вычисленным по приведенной формуле. С учетом специфики влияния на получаемые фазовые профили «розового» шума Галактики, являющегося основным фонообразующим фактором, было решено выбрать единый критерий коррелированности «четных» и «нечетных» профилей для любых значений периодов: k0.5.

Простейшим способом ошибку на среднем фазовом профиле можно оценить, исходя из средних амплитуд случайных вариаций, задающих фон на периодограммах или ненормированных частотных спектрах вблизи пика, соответствующего периодическому процессу. Другим способом, позволяющим уточнить достоверность отдельных деталей, видимых на среднем фазовом профиле, является сопоставление формы четного и нечетного профилей в области фаз, соответствующих исследуемой особенности. Если указанная особенность (например, дополнительный максимум) ясно видна как на четном, так и на нечетном профиле, то это говорит в пользу ее реальности, в противном случае можно не придавать ей особого значения.

Угловые характеристики прибора не позволяли разрешать источники, близко расположенные на небе. Однако в тех случаях, когда поток от источника слабо менялся со временем, область локализации наблюдаемых периодических источников могла быть определена более точно, чем размер поля зрения прибора. Это предположение правомерно, когда процесс наблюдается достаточно долго: из формы диаграммы направленности следует, что в случае отстояния источника от оси прибора не более чем на 40о процесс должен быть виден на уровне половины от максимальной амплитуды не менее месяца.

Зависимость регистрируемой доли излучения наблюдаемого источника от времени имеет вид плавных кривых с максимумом в момент наилучшей видимости источника. В этот момент угол отстояния источника от оси прибора минимален, следовательно, можно предположить, что источник находится на линии большого круга, перпендикулярного плоскости эклиптики и проходящего через точку эклиптики, в направлении которой в этот момент ориентирована ось прибора. Полное время видимости источника зависит от минимального угла отстояния, достигаемого в ходе сканирования. Для оценки этого угла можно методом максимального правдоподобия вписать в зависимость видимого потока регистрируемого излучения от направления ориентации прибора ожидаемые кривые, соответствующие различным углам отстояния источника (подобрав нормировку по амплитуде), а затем выбрать из них ту, которая согласуется с наблюдениями наилучшим образом.

На основании данных «Прогноз-9» можно определить только спектральные параметры периодической составляющей в излучении источников, поскольку угловое разрешение прибора не позволяло выделять постоянного излучения исследуемого источника на фоне излучения других объектов. Кроме усредненных по периоду спектральных характеристик периодического процесса эксперимент позволял сделать оценки спектральной жесткости исследуемого процесса, привязанные к определенной фазе на среднем фазовом профиле. В этом случае речь также идет о жесткости излучения, избыточного по отношению к некоторому уровню, принятому за нулевой. Тем не менее, подобная информация весьма полезна при построении моделей исследуемых объектов, поскольку позволяет проследить динамику жесткости излучения вдоль фазового профиля.

В качестве величины, характеризующей спектральную жесткость периодического компонента, может быть выбрано отношение амплитуд периодического процесса в соседних энергетических диапазонах. В случае определенного представления исходного спектра это отношение позволяет определить соответствующий спектральный параметр, – например, показатель в случае степенной зависимости или эффективную температуру kT в случае представления типа спектра «оптически тонкой плазмы». Для вычисления этих параметров были использованы аппаратурные функции, представляющие собой зависимости отношения скоростей счета в соседних каналах от соответствующего параметра жесткости.

В четвертой главе приводятся результаты поиска и исследования периодических процессов: каталог наблюдаемых периодических процессов, их фазовые профили при различных энергиях, спектральные характеристики и оценки местоположения. Показаны результаты наблюдения затменной двойной системы 4U1700-37, рассмотрены аргументы в пользу идентификации ряда наблюдаемых периодических процессов с известными объектами.

Изложенным выше методом был проведен поиск периодичностей в диапазоне периодов 0.5-200 ч. Потоки периодических составляющих в районе центра Галактики в диапазоне энергий 25-50 кэВ можно было регистрировать начиная с уровней 2.510-3 фот/см2с в среднем для периодов T = 1 - 30 ч и 5.010-3 фот/см2с для T = 30 ч.

Несмотря на то, что чувствительность при обзоре областей неба, далеко отстоящих от галактического центра, была лучше, все выделенные периодические процессы относятся к району центра Галактики и прилежащих к нему областям. Верхние пределы на потоки периодических составляющих в жестком излучении источников, расположенных в районе галактического антицентра приведены в таблице 2 (для источников, находящихся по центру поля зрения). Если бы процесс выше указанной интенсивности реально существовал, то с вероятностью не менее 99.9% он был бы обнаружен.

Список выявленных периодических процессов и некоторые их параметры представлены в Таблице 1. Существование тех периодических процессов, которые были выделены ранее, в основном подтверждается при использовании критерия, разработанного в данной работе. Отсутствие ранее отмеченного источника с периодом 1.96 ч связано с более низкой достоверностью этого процесса. Наличие в списке целого ряда периодических процессов, не известных по данным других экспериментов, может быть объяснено тем, что часть из них относится к транзиентным источникам, которые во время проведения этих экспериментов не были активны, а также высокой чувствительностью эксперимента на станции «Прогноз-9»

Процесс с периодом 8.15ч. может быть идентифицирован с транзиентным источником Cen X-4, в котором во время вспышки 1979 г. по данным прибора ASM на спутнике Ариэль-5 наблюдались периодические изменения с периодом 8.2±0.2 ч. Процесс с периодом 4.35 ч по местоположению и по жесткости может быть идентифицирован с источником 4U1755-33, в котором по данным наблюдений в диапазоне 2-10 кэВ на космической обсерватории EXOSAT были обнаружены периодические вариации потока рентгеновского излучения с периодом 4.4±0.2 ч. Основаниями для идентификации этих процессов являются не только совпадение величин периодов и оценка местоположения, но и сравнение данных о спектральной жесткости периодических составляющих, сопоставление их интенсивностей и формы фазовых кривых.

Таблица 1. Астрофизические источники периодического рентгеновского излучения наблюдавшиеся в эксперименте на станции «Прогноз-9»

T, часы	КТ, кэВ	Средний за период поток при указанной энергии, 1/(см2*с*кэВ)	интервал наилучшей видимости	Число периодов за интервал наилучшей видимости	Идентификация
152±7	>40	1.5*10-4 (50 кэВ)	31.10.83 - 12.01.84	11.5	H1705-25 (Nov.Oph.1977)
98±7	13	9.5*10-4 (25 кэВ)	08.12.83 - 06.01.84	7
82±5	25	2.2*10-3 (25 кэВ)	08.12.83 - 06.01.84	9 (всего 20)	4U1700-37
67±4	6	8*10-4 (25 кэВ)	08.12.83 - 06.01.84	10
62±2	10-20	2.5*10-3 (25 кэВ)	13.11.83 - 20.12.83	14	GRO J1655-40 (XN Sco. 1994)
13.33±0.13	25	6.5*10-4 (25 кэВ)	08.12.83 - 06.01.84	52	4U1543-47
9.36±0.07	10	6.7*10-4 (25 кэВ)	28.10.83 - 25.11.83	71
8.15±0.11	7	7*10-4 (25 кэВ)	13.11.83 - 25.11.83	35	Cen X-4
8.04±0.04	20-45	5.5*10-4 (25 кэВ)	08.12.83 - 12.01.84	104
4.38±0.03	11	5*10-4 (25 кэВ)	28.10.83 - 10.11.83	71
4.35±0.05	5-10	2*10-3 (10 кэВ)	20.12.83 - 27.12.83	33	4U1755-33
3.45±0.04	5	1.5*10-3 (25кэВ)	07.12.83 - 13.12.83	42
1.470±0.006	20	5.5*10-4 (25 кэВ)	13.12.83 - 20.12.83	115

Таблица 2. Верxние пределы на поток периодических составляющих из направления галактического антицентра (см2.с-1).

Диапазон	10-50 кэВ	25-50 кэВ	50-100 кэВ
Предел для Т=30 ч.	1.8*10-3	1.1*10-3	1.5*10-3
Предел для Т=3 ч.	3.3*10-4	2.0*10-4	2.3*10-4