|
Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://hea.iki.rssi.ru/KVANT/results.html
Дата изменения: Wed Feb 18 14:45:34 2004 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:32:05 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: рентгеновский телескоп |
НАБЛЮДЕНИЯ СВЕРХНОВОЙ 1987А
Готовясь к наблюдениям "Кванта", теоретики отдела Астрофизики Высоких Энергий ИКИ РАН начали интенсивные расчеты методом Монте-Карло ожидаемого потока рентгеновских лучей от Сверхновой. Воспитанные яркими докладами В.Л. Гинзбурга и И.С. Шкловского, они ожидали появления в Сверхновой мощнейших ударных волн, ускорения космических лучей, теплового и нетеплового рентгеновского излучения, бурных проявлений молодого быстровращающегося пульсара или черной дыры, аккрецирующей (притягивающей к себе) остатки сброшенной оболочки. Природа этого излучения оказалась совсем другой. Аспирант (ныне - доктор физ.-мат. наук) С.А Гребенев (ученик известного специалиста по методу Монте-Карло И.М. Соболя из ИПМ) провел вычисления и построил приближенную теорию спектра излучения, выходящего из оболочки, предполагая, что первичным источником излучения являются гамма-лучи, рождающиеся при распаде радиоактивного никеля-56, синтезированного перед гибелью звезды и превращающегося в радиоактивный кобальт, а затем в железо. Расчеты показали, что рассеяние жестких фотонов на холодных электронах разлетающейся оболочки Сверхновой и фотопоглощение на атомах тяжелых элементов не позволяют жесткому излучению выходить из оболочки в течение первых месяцев после взрыва, и появления потока излучения на наблюдаемом уровне можно ожидать лишь через полгода после взрыва. В своих расчетах теоретики отдела опирались на численную гидродинамическую модель взрыва, созданную в группе В.С. Имшенника в ИТЭФ.
В середине июня 1988 г. начались практически ежедневные наблюдения Сверхновой. Руководство НПО ЭНЕРГИЯ и, в первую очередь, Ю.П. Семенов осознавали важность наших наблюдений и делали все для того, чтобы помочь нам. Обработку и анализ данных прибора ТТМ вели молодые теоретики М.Р. Гильфанов и Е.М. Чуразов (сейчас - доктора физ.-мат. наук). Данные жестких рентгеновсих приборов ГЕКСЕ и ПУЛЬСАР X-1 обрабатывали выпускник МИФИ В.В. Ефремов и выпускник МФТИ А.С. Каниовский (сейчас - канд. физ.-мат. наук). Телескоп ТТМ, работающий в более мягком диапазоне энергий, ничего не показывал. Этого можно было ожидать лишь в модели радиоактивного распада. Ни ударные волны, ни обратное комптоновское излучение релятивистских электронов не могли произвести столь жесткий спектр излучения.
Сигнал в данных ГЕКСЕ нарастал ото дня ко дню. Через несколько дней он был зафиксирован в еще более жестких лучах (выше 50 кэВ) прибором ПУЛЬСАР X-1. Спектр излучения действительно был необычайно жестким. За несколько дней была написана статья в журнале "Nature" и разослан ее предварительный текст коллегам из Германии, Англии и Голландии. Статья была опубликована в одном номере со статьей японской группы, наблюдавшей чрезвычайно слабый сигнал в последних, самых жестких каналах пропорциональных счетчиков спутника ГИНГА. Наблюдения Сверхновой продолжались в течение нескольких месяцев в том же темпе и гораздо реже в течение последующих двух с половиной лет. По данным КВАНТа вырисовывалась ее кривая блеска в жестких рентгеновских лучах, определялась степень перемешивания радиоактивных элементов по оболочке и были поставлены жесткие верхние пределы на отношение долгоживущего изотопа кобальт-57 к изотопу кобальт-56. Оставалась надежда зафиксировать излучение центрального пульсара или черной дыры, возникших после коллапса ядра звезды, но ничего сверхинтересного не появилось в рентгеновских лучах, и не наблюдается на ожидавшемся уровне и по сей день, через 13 лет после взрыва. Оболочка Сверхновой представляет сегодня облако холодного молекулярного газа, медленно расширяющегося и ждущего, пока не произойдет его столкновение с плотным звездным ветром красного сверхгиганта, существовавшего на стадии, предшествовавшей взорвавшемуся голубому сверхгиганту.
Рис. из статьи: Сюняев и др., Письма в Астрон. журн., Т. 14, 7, С. 579-590. Сравнение экспериментальных данных о потоке жестких рентгеновских лучей от SN1987A и теоретических моделей, рассчитанных методом Монте-Карло. а - показан поток, предсказанный на 180-й, 240-й и 300-й дни в модели, где кобальт сосредоточен на внутренней границе расширяющейся оболочки сверхновой; б - на рисунках модель с перемешиванием кобальта во внутренней области оболочки, содержащей массу в 8 масс Солнца. На верхних рисунках приведены экспериментальные точки, полученные приборами ТТМ, ГЕКСЕ и "Пульсар Х-1". На средних кривых приведены экспериментальные данные ГEКСE за ноябрь 1987 г., а на нижних - данные ГЕКСЕ за январь 1988 г. и "Пульсара Х-1" за декабрь 1987 г. и январь 1988 г. Видно, что предсказания модели, приведенные на рисунках а, противоречат экспериментальным данным.
Это была первая Сверхновая, от которой было зафиксировано
рентгеновское излучение. Была понята природа этого излучения, Связанного
с синтезом 0.07 масс Солнца радиоактивного никеля в процессе гибели звезды.
Это открытие КВАНТА вошло в историю рентгеновской астрономии.
РЕНТГЕНОВСКИЕ НОВЫЕ
Примечательно, что большинство рентгеновских новых являются кандидатами в черные дыры и, как показывают исследования, как правило, относятся к маломассивным двойным системам. Многие объекты этого подкласса имеют мощную мягкую компоненту в спектре с характерной температурой ~ 1 кэВ в предположении чернотельного спектра, что позволило выделить их в подкласс мягких рентгеновских новых. До вспышки GS 2023+338 (а впоследствии также GRO J0422+32 и GRS 1716-249) считалось, что наличие яркой мягкой компоненты является признаком, характерным для всех рентгеновских новых. После наблюдений стало ясно, что существуют и рентгеновские новые с аномально жестким спектром без мягкой компоненты, подобным спектру источника Лебедь X-1 в его обычном "жестком" состоянии.
А началась эпопея с исследованиями рентгеновских новых в 1988 году с замечательного источника GS 2000+25 в созвездии Лисички, для которого И.Ю. Лапшов, С.А. Гребенев и А.С. Каниовский получили прекрасный широкополосный спектр от 2 до 200 кэВ. Через год, в 1989 г., последовали детальные исследования самого достоверного кандидата в черные дыры - источника GS2023+338 в созвездии Лебедя, затем следует выделить рентгеновские новые в Персее GRO J0422+32 (в 1992 г.), две вспышки 1993 г. - в Парусах (GRS 1009-45) и Змееносце (GRS 1716-249) и, конечно, источник KS 1730-312, открытый К.Н. Бороздиным в сентябре 1994 г. именно по данным телескопа ТТМ. Во время наблюдений KS 1730-312 приборами ТТМ и СИГМА/"Гранат" был зафиксирован переход источника из жесткого спектрального состояния в мягкое. Исследования, проведенные по данным обсерваторий "Мир-Квант" и "Гранат", позволили заключить, что KS 1730-312 является также кандидатом в черные дыры.
В марте 1996 г. приборами спутника "Гранат" и модуля "Квант" была обнаружена рентгеновская новая в созвездии Змееносца GRS 1739-278. Интересно, что ни один из иностранных экспериментов, запущенных в 90-х годах и обладающих более высокой чувствительностью, не смог по различным причинам зарегистрировать этот источник. Только в апреле 1996 года пришло сообщение из США, что прибор BATSE сумел выделить вклад рентгеновского излучения от GRS 1739-278 на фоне яркого барстера-пульсара GRO J1744-28, используя данные ТТМ о расположении этих источников.
Рис. из статьи: Сюняев и др. Письма в Астрон. журн., 1994, T. 20, 12 , C. 890-900. Широкополосные рентгеновские спектры пяти рентгеновских новых, наблюдавшихся модулем "Мир-Квант". Для лучшего восприятия некоторые спектры сдвинуты по вертикальной оси. Хорошо видно отличие формы спектров подкласса "мягких" новых (GS 2000+25 и GRS 1009-45) от "жестких".
Рентгеновские новые появляются на небе достаточно
регулярно, поэтому работа по их изучению приборами обсерватории "Рентген"
продолжалась до последних лет работы на орбите. Так, летом 1998 г. была
проведена серия наблюдений источника XTE J2012+381, а весной 1999 г. -
XTE J1550-564.
ИСТОЧНИКИ - КАНДИДАТЫ В ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Наиболее надежным аргументом принадлежности источника к черным дырам является измерение массы компактного объекта. Это возможно только в случае, если источник отождествлен в оптическом диапазоне. Теоретические расчеты показывают, что 3 массы Солнца можно принять как жесткий верхний предел для массы нейтронной звезды. Из наблюдаемых обсерваторией "Рентген" из источников такого типа только три (LMC X-1, Cyg X-1 и Cyg X-3) принадлежат к двойным системам с оптическим компаньоном большой массы, остальные - двойные малой массы. Все объекты этого класса лежат в галактической плоскости, исключение составляет лишь внегалактический источник LMC X-1, принадлежащий Большому Магелланову Облаку.
Характерной чертой кандидатов в черные дыры является бимодальное поведение, т.е. переход из мягкого состояния в жесткое и обратно. Классическим объектом такого рода считается известный квазистационарный источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1 (Cyg X-1). Cyg Х-1 - это двойная система с орбитальным периодом 5.6 дней, состоящая из голубого сверхгиганта и компактного объекта, являющегося вследствие большого значения массы (M > 9.5 солнечных масс) одним из наиболее надежных кандидатов в черные дыры. В стандартном рентгеновском диапазоне (до 20 кэВ) источник наблюдался в двух состояниях: высоком, в котором он обладает сильной мягкой и слабой жесткой компонентами, и низком, где соотношение компонент меняется на противоположное. При переходе из одного состояния в другое изменения потоков в мягкой и жесткой частях спектра антикоррелированы. В низком состоянии Лебедь Х-1 проводит ~90% времени.
Два основных типа спектров от галактических кандидатов
в черные дыры хорошо видны на рисунках, построенных по данным телескопа
ТТМ для источников Cyg X-1, GRO
J1654-40, GRS 1009-45, GX
339-4, KS 1730-312 (С.В. Лавров и др. Письма
в Астрон. журнал, 1997, Т. 23, 7, С. 496 - 502. );
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И ПАТРУЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ГУСТОНАСЕЛЕННЫХ ОБЛАСТЕЙ НЕБА
Изображение окрестностей Галактического Центра, полученное телескопом ТТМ 27 - 30 апреля 1995 г.
Одно из таких направлений - оценка состояния недавно открытых рентгеновских транзиентов в прошлом. Транзиентами называются переменные рентгеновские источники, поток от которых во время вспышек может на несколько порядков превосходить поток в спокойном состоянии. Характерное время вспышек составляет от нескольких дней до нескольких месяцев, а промежуток между вспышками может составлять несколько лет или десятилетий. Обычно по различным сериям наблюдений телескопа ТТМ удается с хорошей точностью определить верхние пределы на потоки от этих источников, а иногда обнаруживаются и слабые вспышки от них, пропущенные в свое время из-за сложностей с их различением на фоне шумов.
Рис. из статьи А.Н.Емельянов и др., Письма в астрон. журнал, 2000, Т. 26, 5, С. 355. Все рентгеновские источники, которые наблюдались телескопом ТТМ обсерватории "Рентген" в 1987-1998 гг. По осям - галактические координаты. Размеры кружков соответсвуют максимальной за все время наблюдений яркости источников. Всего на карту нанесено 67 источников.
Рис. из статьи А.Н.Емельянов и др., Письма в астрон. журнал, 2000, Т. 26, 5, С. 355. Все рентгеновские источники, наблюдавшиеся телескопом ТТМ обсерватории "Рентген" в 1987-1998 гг. в районе Галактического Центра. По осям – галактические координаты. Размеры кружков соответствуют максимальной за все время наблюдений яркости источников.
Помимо этого, в окрестностях Галактического Центра
часто вспыхивают новые источники, и прибор ТТМ также весьма эффективен
для их поиска и локализации. Именно в этой области были открыты новые источники
самой разной природы: галактический микроквазар GRO J1655-40, барстер-пульсар
GRO J1744-28 и уже упоминавшиеся рентгеновские новые GRS 1716-249 (1993),
KS 1730-312 (1994) и GRS 1739-278 (1996). Всего телескопом ТТМ было открыто
11 новых источников.
БАРСТЕРЫ
У KS1731-260 недавно со спутника RXTE (Rossi X-Ray Timing Explorer) были обнаружены периодические пульсации во время прохождения ядерного пламени по поверхности звезды. Ядерное пламя двигается медленно, за время порядка 8 секунд обегая нейтронную звезду. Фронт пламени создает выделенную яркую зону на поверхности звезды, и детекторы RXTE принимали пульсирующий сигнал (с частотой ~524 Гц - частотой вращения нейтронной звезды).
РЕНТГЕНОВСКИЕ ПУЛЬСАРЫ
Большинство рентгеновских пульсаров, наблюдавшихся обсерваторией "Рентген", находятся в пределах Галактики. Рентгеновские пульсары, входящие в состав двойных систем большой массы (за исключением внегалактических объектов), в основном располагаются вблизи галактической плоскости. Пульсары же, относящиеся к маломассивным двойным системам, напротив, принадлежат к сферической составляющей Галактики. Исключениями, вероятно, являются два пульсара, относящиеся к маломассивным системам, но лежащим в галактической плоскости, хотя и рядом с Галактическим Центром - это GX 1+4 и GRO J1744-28. Из всех рентгеновских пульсаров, наблюдавшихся модулем "Квант", лишь GRO J1744-28, A0535+26, GRS 0834-42 и 4U 0115+63 являются транзиентными (то есть проявляющими вспышечную активность), от остальных поток в стандартном рентгеновском диапазоне меняется незначительно.
Из числа наиболее интересных представителей этого класса источников особое место занимает GRO J1744-28, вспыхнувший в декабре 1995 г. Этот уникальный источник сочетает в себе свойства транзиента, пульсара и барстера. За время наблюдения источника обсерваторией "Рентген" поток от него (в диапазоне ТТМ) упал с ~ 900 мКраб в первых сеансах (6-7 февраля 1996 г.) до ~400 мКраб в последних (конец марта 1996 г. и февраль 1997 г.). Кривая блеска источника имеет два ярко выраженных максимума с интервалом около года между ними. Подобные кривые блеска характерны для галактических микроквазаров, а также наблюдались у двойных систем малой массы с нейтронными звездами, например, 4U 1608-522. И в то же время от пульсара наблюдались короткие (продолжительностью порядка 10 секунд) вспышки, во время которых поток от источника увеличивался в несколько раз. Пульсар входит в маломассивную двойную систему и представляет собой нейтронную звезду, в отличие от многих транзиентов - рентгеновских новых, являющихся общепринятыми кандидатами в черные дыры. Форма его спектра (степенной закон с экспоненциальным множителем в жесткой части) характерна для рентгеновских пульсаров. Как было отмечено по результатам обсерваторий ASCA и RXTE и подтверждено наблюдениями ТТМ и HEXE, спектры источника в максимуме и минимуме вспышки отличаются незначительно. Расстояние до источника принято считать равным ~8 кпк. Его светимость в максимуме блеска составляла (1.8+-0.06)*1040 эрг/с, что примерно в 100 раз превышает эддингтоновский предел светимости для звезды с M ~ 1 массой Солнца.
Рис. из статьи Н.А. Александрович и др. Письма в астрон. журнал, 1998, Т. 24, 1, С. 10 - 18. Часть (9o.1 x 5o.8) изображения области Галактического Центра, полученного телескопом ТТМ с 28 февраля по 5 марта 1996 г. Высота пиков пропорциональна значимости регистрации. Цифры по осям X и Y - координаты в пикселах детектора. На верхнем рисунке - сумма по 8 сеансам. На нижнем - изображение той же самой области, но просуммированное только по четырем 8-секундным интервалам, вырезанным из разных сеансов 1996 г. во время вспышек. Несмотря на столь малое время накопления, барстер-пульсар GRO J1744-28 выделяется совершенно отчетливо, в то время как остальные источники этой области, хорошо видимые на верхнем рисунке, теряются среди шума.
Стандартный спектр пульсаров имеет экспоненциальный завал на энергиях выше 5-30 кэВ. В результате этого излучение на энергиях выше 80 кэВ обнаруживается лишь у пары наиболее ярких объектов. Так, например, в конце мая 1994 г. приборами ТТМ и HEXE был зафиксирован необычайно жесткий спектр излучения рентгеновского пульсара 4U 0115+63 во время вспышки. Он описывался степенным законом с a = 1.94 +- 0.04 в диапазоне 2-100 кэВ. Недавно был открыт еще один пульсар SAX J1808.4-3658 = XTE J1808-369 , у которого также наблюдается жесткий степенной спектр с показателем 2. Механизм, приводящий к формированию у нейтронных звезд жесткого степенного спектра, до сих пор остается неизученным.
Рис. из статьи Н.А. Александрович и др. Письма в астрон. журнал, 1998, Т. 24, 1, С. 10 - 18. Сравнение спектров четырёх источников разных типов по данным телескопа ТТМ орбитальной обсерватории "Мир-Квант": барстера-пульсара GRO J1744-28, рентгеновского пульсара GX 301-2, "жёсткой" рентгеновской новой 1992 г. GRO J0422+32 и "мягкой" новой 1993 г. GRS 1009-45. Для лучшего восприятия спектр GRS 1009-45 сдвинут по вертикальной оси.
Другой интересный рентгеновский пульсар - Геркулес Х-1. В его спектре хорошо видна гиролиния - спектральная линия, обусловленная циклотронным излучением или поглощением электронов. Наличие такой гиролинии дает возможность прямого экспериментального определения магнитного поля нейтронной звезды. Гиролиния в спектре Геркулеса Х-1 присутствует на энергии 41 кэВ, что соответствует напряженности магнитного поля на поверхности ~ 4*1012 Гаусс.
Пульсар в Крабовидной туманности занимает в особое место среди представителей этого класса объектов. Это остаток вспышки Сверхновой 1054 г., также представляющий из себя нейтронную звезду с сильным магнитным полем, с периодом вращения 33 мсек. Но, в отличие от обычных рентгеновских пульсаров, мы видим этот источник не благодаря аккреции, а из-за синхротронного излучения - свечения разгоняемых нейтронной звездой релятивистских электронов в магнитном поле. Этот пульсар не входит в двойную систему, и благодаря отсутствию многочисленных эффектов, связанных с орбитальным движением, форма его спектра и поток от него практически неизменны, в то время как характерной чертой подавляющего большинства остальных рентгеновских источников является их переменность. Поэтому пульсар в Крабовидной туманности служит естественным калибровочным источником для астрофизических приборов, работающих в космосе.
Во время наблюдений Сверхновой 1987А ТТМ зарегистрировал
излучение подобного пульсара в LMC.
ГАЛАКТИЧЕСКИЕ МИКРОКВАЗАРЫ
