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

По сравнению с результатами поиска периодичностей, проводившегося на начальных этапах обработки данных эксперимента на станции «Прогноз-9», использование рассмотренного выше критерия выделения периодических процессов привело к обнаружению новых объектов с периодами 8.04, 4.38 и 1.47 ч. Следует отметить близость величины периода для двух пар процессов 8.04ч. и 8.15ч., а также 4.35ч. и 4.38ч. В пользу того, что эти процессы относятся к различным источникам свидетельствует прежде всего разница их моментов видимости, соответствующая угловому расстоянию между объектами не менее 40о. Кроме того эти процессы существенно отличаются по форме фазовых профилей и по спектральной жесткости.

Для каждого из выделенных процессов были получены средние профили, полученные для различных энергетических каналов, а также «четный» и «нечетный» профили в том энергетическом интервале, в котором источник виден наиболее контрастно. Фазовые профили многих из обнаруженных процессов отличаются как от «затменной», так и от «простой» синусоидальной формы. У ряда объектов видна значимая сложная структура фазовых кривых - на их фазовых профилях присутствует более одного максимума излучения. К ним относятся процесс с периодом 62 ч., а также самый жесткий из наблюдаемых источников – 152-часовой процесс. Сложной формой среднего фазового профиля характеризуется 8.04 ч периодичность - на соответствующей кривой видны два значимых максимума: первый – широкий (характеризуется относительно мягким спектром), второй – узкий (энергетический спектр в области этого максимума более жесткий).

В качестве возможных объектов для идентификации рассматривались, во-первых, жесткие источники, постоянно присутствующих на небе, из каталога НЕАО-1 (прибор А4), имевшие в диапазоне 13-80 кэВ поток более 2.5.10-3см-2.с-1, что соответствует предельному уровню чувствительности рассматриваемого спектрометра к периодическим процессам. Второй тип источников, подлежащий анализу - рентгеновские новые, обычно имеющие значительную интенсивность (вплоть до 100 Краб) и длительность вспышки 10-300 дней.

Для процессов 13.3 ч, 9.36 ч и 8.04 ч, наблюдавшихся достаточно долго, сделаны оценки местоположения. В случае 8.04 ч процесса в качестве источника периодичности могут выступать многие объекты, расположенные вдоль Галактической плоскости. Для процессов с периодами 13.3 ч и 9.36 ч области возможной локализации удалены от центра Галактики, поэтому выводы об идентификации могут быть сделаны путем рассмотрения сравнительно небольшого конечного числа кандидатов.

Периодический процесс с периодом 82ч. является орбитальным периодом затменной двойной системы 4U1700-37., наблюдавшейся во многих экспериментах. Этот хорошо изученный источник является удобным объектом для подтверждения корректности использованных в работе методов.

Измерения его спектра показывают, что рентгеновское излучение 4U1700-37 имеет в представлении спектра теплового излучения тонкой плазмы температуру Т25 кэВ, что соответствует результатам других экспериментов. Особенность данного источника состоит в том, что жесткость его излучения не зависит ни от его общей интенсивности, ни от орбитальной фазы. Это также подтверждается в настоящей работе: фазовые профили 82-часового процесса, полученные для различных энергетических каналов, хорошо совпадают по форме между собой. Форма фазовых кривых в диапазонах 10-50 и 50-200 кэВ не противоречит форме кривой блеска, полученной в диапазоне 20-120 кэВ в эксперименте BATSE. Амплитуда мелких деталей фазовых кривых, существенно не превышающих ошибок, вероятно связана с временной переменностью источника.

152-часовой процесс является самым жестким из периодических процессов, наблюдавшихся в эксперименте «Прогноз-9». В период наблюдений, когда он регистрировался, в поле зрения прибора находились несколько известных источников с потоками 100 мКраб при энергиях 100 кэВ: Н1705-25 (Nov Oph 1977), GX339-4,, GRS 1716-249 (Nov Oph 1993) и 1Е1740.7-294.2, расположенный непосредственно вблизи Центра Галактики. Для этих объектов были вычислены зависимости, аппроксимирующие относительные площади засветки детектора прибора для различных моментов наблюдения. С этими зависимостями были сопоставлены относительные амплитуды 152-ч периодического процесса на интервалах наблюдений 31.10.83-25.11.83, 13.11.83-20.12.83, 07.12.83-12.01.84, 20.12.83-25.01.84, измеренные в предположении его принадлежности какому-либо из отмеченных выше источников. В результате был сделан вывод, что объекты вблизи самого центра Галактики (±5о) и источник GX339-4 могут быть исключены из числа вероятных кандидатов на идентификацию. В область возможной локализации 152-часового процесса из известных ярких рентгеновских источников достаточной жесткости попадают лишь новые в созвездии Змееносца 1977 и 1993 гг.

Наиболее вероятным кандидатом на идентификацию с источником 152-ч периодического процесса представляется яркий рентгеновский транзиент H1705-25 (Nov Oph 1977). Его кривая блеска, построенная на основе данных экспериментов SSI Ariel-5 и MC HEAO1, показала присутствие на фоне плавной огибающей квазипериодического компонента с периодом около 6.7 сут. Чтобы исключить трендовую составляющую исходные данные SSI (средний поток J в мКраб на интервалах 1.7 ч) были усреднены методом скользящего среднего по ±167/2 ч., после чего исходные величины J были нормированы на соответствующие значения J'. К данным SSI были добавлены данные MC HEAO1, нормированные на среднее значение. Затем была получена периодограмма ряда J/J’, аналогичная периодограмме для эксперимента «Прогноз-9», содержащая один явно выраженный максимум при значении периода 167 ч, а также его гармоники.

Было проведено сравнение средних фазовых профилей указанных двух процессов, представленных как функция фазы, выраженной в долях периода. Значение коэффициента корреляции между указанными двумя зависимостями, взятыми в одинаковой фазе, равно 0.84. Это указывает на то, что с вероятностью 99.95% эти два профиля совпадают не случайно и могут быть отнесены к одному и тому же астрофизическому объекту. Такой вывод можно сделать, учитывая сложность формы фазовой кривой, имеющей два максимума излучения различной длительности.

Средний наклон спектра 152ч периодической составляющей в степенном представлении соответствует величине, характеризующей спектральную жесткость, полученной в эксперименте на HEAO1. При этом спектральная плотность потока, измеренная в эксперименте на ИСЗ "Прогноз-9", характеризующая интенсивность периодического компонента, для всех участков фазовой зависимости составляет не более 70% величины полного потока, полученной на HEAO1 в 1977 г. Это также говорит в пользу идентификации источника 152-ч периодичности, обнаруженного в рентгеновском эксперименте на станции "Прогноз-9", и новой в созвездии Змееносца 1977 г. (Н1705-25)

На Рис. 2а приведены кривые блеска для 62-ч периодического процесса. Временное разрешение на профиле составляет около 2 ч. Приведенные на рисунке ошибки получены исходя из средних амплитуд случайных вариаций, задающих шумовую подложку на периодограммах.

Ранее были получены указания на идентификацию 62-ч периодичности с источником Sco X-1. Основанием для этого было предположение о том, что во время наблюдений в поле зрения прибора находился единственный яркий источник, с которым могли быть связаны регистрировавшиеся интенсивные вариации рентгеновского потока. В этом предположении была определена область локализации на небе источника 62-ч периодического процесса, в которую попадал единственный достаточно яркий объект Sco X-1.

В 1994г. в результате наблюдений на обсерватории CGRO в созвездии Скорпиона был открыт транзиентный источник GRO J1655-40, также известный как рентгеновская новая XN Sco 1994. Из оптических наблюдений для системы GRO J1655-40 определен орбитальный период – 2.62 сут = 62.9 ч, который в пределах ошибок совпадает с выделенным периодом 62 ч. Данные наблюдений этого источника в жестком диапазоне также показывают значительные вариации рентгеновского потока, в которых, как отмечают авторы эксперимента OSSE, можно проследить квазипериодическую составляющую с подобным периодом. Для проверки существования рентгеновского периодического процесса данные OSSE были обработаны методом, описанным выше. На периодограмме, относящейся к этим данным, отчетливо виден максимум при Т=62 ч., а также вторая гармоника Т=31ч.

На рис. 2б приведена кривая блеска, полученная путем усреднения по периоду 62 ч данных наблюдений источника GRO J1655-40 в эксперименте OSSE на CGRO. Кривые блеска, полученные по данным экспериментов на ИСЗ “Прогноз-9” и CGRO были совмещены по фазе, исходя из максимума коэффициента корреляции между кривыми в диапазоне 50-200 кэВ (“Прогноз-9”) и 50-100 кэВ (OSSE CGRO), который составил 0.7. Видно, что в основных чертах средние фазовые кривые, полученные в экспериментах на ИСЗ ”Прогноз-9” и CGRO совпадают.

Спектр 62ч периодического компонента имеет степенной характер, близкий к характеру спектров GRO J1655-40. Различие интенсивности и показателя спектра находится в пределах возможных отклонений для рекуррентных вспышек разных лет.

Если допустить, что этот объект был также активен и в 1983 г., то наличие в поле зрения прибора двух достаточно ярких источников могло привести к смещению возможной области локализации на небе источника 62-ч периодичности и как следствие к неверной идентификации. Таким образом, можно сделать вывод о том, что более правдоподобна идентификация источника 62 ч периодического процесса с объектом GRO J1655-40.

Процесс 13.3 ч. может быть связан с рентгеновской новой 4U1543-47. В пользу такой идентификации свидетельствует то, что 4U1543-47 является одним из немногих ярких объектов, попадающих в область локализации этого периодического процесса, а также совпадение в пределах ошибок удвоенного периода 13.3ч. с орбитальным периодом 4U1543-47 Т=1.123±0.008 сут, измеренным по кривой лучевых скоростей оптического компонента. Фотометрический период, наблюдаемый в оптическом излучении данного источника, равен 0.5605 сут. (13.45ч.) Еще один важный факт состоит в том, что по данным спутников «Тенма» и EXOSAT рентгеновская новая 4U1543-47 имела вспышку, начавшуюся 21.08.83 и наблюдавшуюся в течение 185 дней.

На частотных спектрах, вычисленных для интервала наилучшей видимости 13.3ч. процесса, пик, соответствующий периоду 27ч. также присутствует. Однако, учитывая то, что значительная его часть может быть обусловлена третьей гармоникой от интенсивного 82ч. процесса, а также отсутствие какого-либо максимума с периодом 9ч.=27ч./3, можно сделать вывод, что именно 13.3ч. процесс на анализируемом частотном ряду является первичным.

13.3 часовой процесс характеризуется средним фазовым профилем, имеющим глубокий минимум шириной 25-30% от величины периода. Квазипериодическая изрезанность профиля в области максимума сравнима с величиной ошибки.

Основные результаты.

1. Разработан метод исследования периодических процессов в тесных двойных системах, наблюдавшихся в эксперименте на станции «Прогноз-9»:

• разработан и использован непараметрический метод поиска периодических составляющих в широком диапазоне периодов 0.5-200ч.
• Проведен сравнительный анализ влияния различных фоновых факторов на результаты поиска периодических составляющих в эксперименте с широкоугольным рентгеновским спектрометром. Разработан и использован метод режекции компонентов фона, связанных с вариациями потоков заряженных частиц и солнечной активностью.
• Получены шумовые спектры жесткого излучения областей центра и антицентра Галактики.
• Разработан критерий отбора периодических процессов, связанных с астрофизическими источниками.
• Разработан и использован метод оценки достоверности периодических составляющих, основанный на вычислении коэффициента корреляции «четных» и «нечетных» фазовых профилей. Сопоставление «четного» и «нечетного» профилей использовано для выделения фазовых особенностей формы средних кривых блеска.

2. Составлен каталог периодических составляющих в жестком излучении рентгеновских двойных систем района центра Галактики по данным эксперимента «Прогноз-9»

• Согласно разработанному критерию уточнен список периодических процессов, наблюдающихся в эксперименте «Прогноз-9»
• Обнаружены ранее не наблюдавшиеся процессы часового диапазона с периодами 8.04ч., 4.38ч., и 1.47ч.
• Подтверждено существование периодических составляющих в источниках Cen X-4 (8.2ч.) и 4U1755-33 (4.35ч.).
• Определены верхние пределы на потоки периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении, идущем из области Антицентра и других удаленных от центра Галактики областей, обзор которых проводился в данном эксперименте.

3. Получены средние фазовые профили наблюдаемых периодических процессов. Показано, что фазовые профили процессов с периодами 152ч., 62ч. и 8.04ч. имеют более одного максимума излучения.
4. Получены характеристики энергетических спектров наблюдаемых периодических процессов.
5. Сделаны оценки областей локализации источников наблюдавшихся в эксперименте на станции «Прогноз-9» периодичностей. На основании оценок местоположения, близости величины периода к значениям, взятым из других наблюдений, а также сходства спектральных характеристик, проведена идентификация ряда периодических процессов: 62ч.=J1655-40., 152ч.=Н1705-25, 13.3ч.=4U1543-47.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Спектральные характеристики в жестком излучении (10-100 кэВ) периодических источников Cen X-4, 4U1755-33, 4U1700-37, MXB1659-29, 4U1822-37: результаты наблюдений на станции «Прогноз-9» Письма в Астрономический журнал, 1995, том 21, № 4, с.256-262.
2. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Идентификация с Н1705-25 (Nov.Oph. 1977) и динамика спектра 152-ч периодического источника, обнаруженного в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9» Письма в Астрономический журнал, 1996, том 22, № 12, с.896-904
3. M.I. Kudryavtsev, S.I.Svertilov, V.V.Bogomolov “Temporal and Spectral Parameters of Slow X-ray Pulsars Observed During “Prognoz-9” Mission”. 31st Scientific Assembley of COSPAR. Birmingham. 1996. Abstracts, p. 257
4. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Характеристики периодических источников жесткого рентгеновского излучения, обнаруженных в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9»: результаты дополнительного анализа» Письма в Астрономический журнал, 1998, том 24, № 9, с.1-14.
5. M.I.Kudryavtsev, S.I.Svertilov, V.V.Bogomolov “Temporal and Spectral Parameters of Slow X-ray Periodic Sources Observed During Prognoz 9 Mission.” Adv.Space Res., 1998, Vol. 22, No. 7, pp. 939-942.