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

Еще в 30-х годах XX века, вскоре после открытия нейтрона, было предсказано существование нейтронных звезд с 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 экстремальных условиях и проверки современных теорий.

Многие нейтронные звезды входят в состав двойных систем и излучают в рентгеновском и гамма-диапазопах за счет аккреции вещества звезды-спутника. Такие рентгеновские системы можно подразделить па два класса: массивные и маломассивпые (в англоязычной литературе приняты аббревиатуры НМХВ и LMXB соответственно). Маломассивные двойные рентгеновские системы, т. е. системы, состоящие из аккрецирующей нейтронной звезды и оптической звезды-спутпика, 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 черпая 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 (В ~ 1012 Гс) и сравнительно старые системы со слабым полем (В ~ 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), динами (резкими провалами па кривой блеска), наконец, квазнпериодическнми осцилляциямн потока излучения. От нескольких таких объектов были обнаружены кнлогерцевые квазнпернодпче-ские 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, демонстрирующими 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 палающего 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).

В простой физической картине потенцналыюе ядерное топливо в виде водорода и гелия аккрецирует па нейтронную звезду с оптического компаньона. По мере накопления аккреционного вещества на поверхности звезды оказываемое им высокое давленые приводит к возникновению ядерных реакций, конечным результатом которых является образование ядер железа с плотностью р < 1011 г см-3. Переход в железо при широком диапазоне внешних условий носит взрывной характер. Из-за температурной зависимости скорости ядерных реакции эти слои подвержены термической неустойчивости, возникающей в результате экзотермических реакций. Высвобожденная ядерная энергия выносится па поверхность и становится ырпчнпой 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 квазиэкспоненциалыюго спада (~ 15 — 300 с), периоды повторения вспышек (несколько часов), энерговыделепие (~ 1039 Ю40 эрг), отношение энергии, выделяемой между всплесками, к энергии, выделяемой во время всплеска, ~ 100— 1000, и смягчение спектра, но 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. Энерговыделепие в погранслое связано с резким уменьшением скорости аккрецирующего вещества с кеплеровской скорости на внутренней границе диска Q, K = (GM/i?3)½ до значительно меньшей скорости Q вращения самой звезды. На единицу массы вещества энерговыделепие составляет 0.5R2flK2 = 0.5MG/R. Во-вторых, это собственно аккреционный диск, излучающий за счет гравитационной энергии падающего вещества. Здесь выделяется тоже 0.5MG/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 маломассивиых рентгеновских двойных. Недавно было предложено выделять излучение погранслоя нз общего спектра излучения системы с помощью частотно-разрешенной рентгеновской фурье-спектроскопни ([21]). Предполагалось, что излучение аккреционного диска должно характеризоваться меньшей степенью хаотической перемен-ности по сравнению с излучением погранслоя в диапазоне фурье-частот / > 0.5 — 1 Гц и может вносить свой вклад в общую переменность потока излучения лишь в области малых фурье-частот. Считая спектр излучения погранслоя равным пе-ренормироваппому частотно-разрешенному спектру, что верно с заранее неизвестной точностью, можно разделить две компоненты спектра.

Во второй главе диссертации предлагается способ решения дайной задачи.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из четырех частей.

Первая часть диссертации состоит из одной главы, посвящ? шюй краткому описанию орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, RXTE и ИНТЕГРАЛ и технических характеристик приборов в составе этих обсерваторий, данные с которых были использованы в работе.

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 полиостью определяются лишь четырьмя параметрами: темпом аккреции, наклонением диска, температурой внешних слоев ногранслоя и радиусом нейтронной звезды. Спектр ногранслоя полагается комптопизован-иым — виповским либо тепловым, модифицированным рассеянием в экспоненциальной атмосфере. Существенно, что при рассматриваемых значениях темпа аккреции излучение центральных областей диска также является виповским, 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 диссертации состоит из одной главы, посвященной изучению отдельных барстеров, т. е. маломассивных двойных систем, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта, в потоке рентгеновского излучения от которых наблюдаются всплески. Рассмотрены временное и спектральное поведение барстеров МХ0836−42, KS1731−260 и GX354−0 в спокойном состоянии и во время всплеска.

Четвертая часть диссертации состоит из одной главы, которая посвящена попеку всплесков от рентгеновских барстеров по данным телескопа IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ, а также исследованию их свойств. Проанализировано более 25 тысяч временных историй наблюдений, проведенных детектором IS-GRI/IBIS в диапазоне энергий 15−25 кэВ. Обнаружено более 1900 всплесков, 390 из которых удалось отождествить с известными источниками рентгеновского излучения. Открыт одни ранее неизвестный рентгеновский источник — бар-стер. Проведен подробный анализ более 60 всплесков, зарегистрированных от рентгеновского барстера GX354−0: исследованы статистические распределения числа всплесков, но нх длительности, уровню максимального потока и периоду рекуррентности.

Часть I.

ОРБИТАЛЬНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ.

Основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Разработана, адаптировала для использования с пакетом HEAsoft и апробирована модель BDLE для аппроксимации спектров рентгеновского излучения ярких маломассивиых рептгеповскнх двойных, содержащих нейтронную звезду со слабым магнитным полем в качестве компактного объекта.

2. Впервые проведено всестороннее исследование транзнентиого барстера MX 0836−429. От этого источника зарегистрированы и исследованы 39 рентгеновских всплесков, проведен спектральный (впервые получены широкополосные рентгеновские спектры) и временной апалнз излучения в спокойном состоянии и во время всплесков. Показано существование двух спектральных состояний системы с различной жесткостью. Получено значение верхнего предела па расстояние до источника: D~8 кпк. На основе анализа времени рекуррентности всплесков определен параметр, а ~ 140 режима термоядерного горения, что характерно для рентгеновских всплесков, произошедших в результате взрывного горения гелия.

3. Проведен подробный спектральный анализ излучения барстера KS 1731−260 в спокойном состоянии и во время всплеска. В рамках спектральной модели BDLE определены 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.

4. Создай каталог рентгеновских всплесков, зарегистрированных в 2003;2005 гг. телескопом IBIS/ISGRI обсерватории ИНТЕГРАЛ в диапазоне энергий 15−25 кэВ. На временных историях скорости счета телескопа, записанных с разрешением 5 с, обнаружено 1900 всплесков, 390 из которых удалось локализовать и связать с известными рентгеновскими источниками, в частности 207 — с известными рентгеновскими барстерамн. Открыт новый рептгеповскнй барстер — IGRJ17364−2711. Отмечена уникальность рентгеновского барстера GX 354−0: число всплесков от этого источника, зарегистрированных па 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.