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

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.

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

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.