2
Большая благодарность моему научному руководителю, коллегам, родным и друзьям за помощь и поддержку в процессе создания диссертационной работы
Аскар Ибрагимов
Оглавление
1 Широкополосные рентгеновские спектры источника Лебедь X-1 и корреляции между спектральными характеристиками 11
1.1 Введение.................................................................... 11
1.2 Наблюдения и анализ данных.................................................. 14
1.3 Спектральный анализ......................................................... 14
1.3.1 Степенной закон с отражением по данным 3—20 кэВ ...................... 16
1.3.2 Комптонизация и широкополосные спектры................................ 17
1.4 Обсуждение................................................................. 25
1.4.1 Поглощение на мягких энергиях......................................... 25
1.4.2 Тимы переменности..................................................... 28
1.4.3 Частоты РРО........................................................... 28
1.4.4 Сравнение между феноменологическими и физическими моделями и корреляция Я -Г 30
1.4.5 Физическая картина.................................................... 31
1.5 Приложение. Диссипация в модели диска и горячего потока .................... 34
1.6 Заключение.................................................................. 35
2 Супсрорбитальная переменность радио- и рентгеновского излучения в Лебеде X-
I. Анизотропия излучения в прецессирующих источниках 37
2.1 Введение.................................................................... 37
2.2 Наблюдательные данные....................................................... 39
2.3 Периодическая переменность.................................................. 41
2.4 Модуляция потока в связи с прецессией....................................... 44
2.4.1 Аналитические модели.................................................. 44
2.4.2 Анизотропия тепловой комптонизации ................................... 48
2.5 Обсуждение и выводы......................................................... 52
3 Супсрорбитальная переменность радио- и рентгеновского излучения в Лебеде X-
1. Зависимость орбитальной модуляции и жесткости спектров от супсрорбиталь-ной фазы 55
3.1 Введение.................................................................... 55
3.2 Кривые блеска и их анализ................................................... 56
3.2.1 Данные................................................................ 56
3.2.2 Средние потоки и дисперсия............................................ 56
3.2.3 Жесткость............................................................. 60
3.3 Зависимость орбитальной переменности от суперорбитальной фазы............... 60
3.4 Спектральная переменность................................................... 61
4 ОГЛАВЛЕНИЕ
3.4.1 Жесткость.............................................................. 61
3.4.2 Рентгеновские дипы..................................................... 61
3.5 Теоретическая интерпретация.................................................. 66
3.5.1 Геометрия ветра в Лебеде Х-1 .......................................... 66
3.5.2 Модель................................................................. 68
3.5.3 Моделирование данных................................................... 71
3.6 Обсуждение................................................................... 73
3.6.1 Происхождение частоты биений........................................... 73
3.6.2 Суперорбитальная переменность н вспышки Лебедя Х-1.................. 74
3.7 Заключение................................................................... 74
4 Аккрецирующий миллисекундный рентгеновский пульсар SAX J 1808.4—3658: изменение радиуса диска в процессе вспышки 2002 г. 75
4.1 Введение..................................................................... 75
4.2 Наблюдения................................................................... 77
4.3 Спектральный анализ.......................................................... 79
4.3.1 Эволюция формы спектра ................................................ 79
4.3.2 Энергетические спектры................................................. 79
4.4 Временной анализ............................................................. 85
4.4.1 Профили пульсов и их зависимость от энергии............................ 85
4.4.2 Временные задержки..................................................... 87
4.4.3 Фазово-разрсшснная спектроскопия....................................... 87
4.5 Теоретические оценки......................................................... 90
4.5.1 Размер пятна........................................................... 90
4.5.2 Амплитуда переменности и ограничения на геометрию ..................... 93
4.5.3 Видимость противоположного горячего пятна и внутренний радиус диска . 93
4.5.4 Ограничения на магнитное поле.......................................... 95
4.5.5 Переменная амплитуда отражения......................................... 98
4.5.6 Изменение профилей пульсов с изменением радиуса диска.................. 99
4.6 Приложение 1. Поток от кольцевого пятна......................................100
4.7 Приложение 2. Отражение от аккреционного диска...............................102
4.8 Приложение 3. Затмение второго пятна аккреционным диском.....................103
4.9 Заключение...................................................................103
5 Моделирование изменений профиля пульса в аккрецирующих миллисекундных
пульсарах 105
5.1 Введение.....................................................................105
5.2 Модель профилей пульсов......................................................106
5.3 Сравнение с наблюденными профилями пульсов...................................109
5.4 Выводы........................................................................НО
6 Заключение 111
Введение
Около трети всех звезд в нашей Галактике входят в двойные системы. В таких системах возможна аккреция вещества с одной звезды на другую. Данный процесс является очень эффективным механизмом высвобождения энергии в системах с нейтронными звездами и черными дырами. Излучение от аккрецирующих двойных систем наблюдается в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах. На процессы в таких источниках оказывают влияние релятивистские эффекты, высокие температуры и сильные магнитные поля. R данной диссертации представлен анализ наблюдений двух систем, Лебеди X-1 и SAX J 1808.4-3658. глазным образом по наблюдениям обсерватории Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE).
Лебедь Х-1 — двойная система, состоящая из сверхгиганта и черной дыры. Звездный ветер со сверхгиганта частично аккрецируегся на черную дыру. По этому яркому и давно известному объекту накоплен обширный набор данных. Наиболее ярким наблюдаемым феноменом является смена спектральных состояний в источнике; в так называемом «жестком» состоянии наблюдаемое излучение (степенной спектр с наклоном порядка 1.7 и завалом на энергиях больше 100 кэВ) возникает в результате тепловой комптонизации на «горячих» электронах вблизи компакт ного объекта (Galeev et а!.. 1979; Tout & Pringle, 1992; Svensson & Zdziarski, 1994; Beloborodov, 1999a; Miller & Stone, 2000). «.Мягкое» состояние описывается излучением черного тела е температурой порядка 500 эВ и степенным спектром (спектральный индекс порядка 2.5. Gierlinski et al. 1999). Каждые несколько лет источник демонстрирует переходы между этими состояниями. В последние 10 лет за счет улучшения качества данных стало понятно, что на самом деле спектры источника достаточно сложны. Для «жесткого» состояния были с хорошей точностью определены температура горячего облака (~ 100 кэВ). и Томсоновская оптическая толща порядка 1—2 (Zd/iarski et al., 1996, 1997; Gierlinski et al., 1997; Poutanen, 1998; Di Salvo et ai., 2001; Frontera et al., 2001; Zdziarski & Gierlinski, 2004). Кроме этого, в спектре были обнаружены: отраженная компонента (возникающая в результате взаимодействия жесткого комптонизо-ванного излучения с холодной, оптически плотной средой, Done et al. 1992; Ebisawa et al. 1996; Gierlinski et al. 1997), мягкая компонента (вероятно, относящаяся к аккреционному диску, см. Balucinska & Hasinger 1991; Bahicinska-Churcli et al. 1995; Ebisawa et al. 1996) и дополнительный «мягкий избыток» (Di Salvo et al., 2001; Frontera et al., 2001). В гамма-диапазоне свыше 500 кэВ наблюдается излучение, свидетельствующее о комптонизации на нстепловых частицах (McConnell ct al., 1994; Ling et al., 1997). Известны корреляции наклона спектра с характеристическими частотами спектров мощности и с амплитудой отраженной компоненты, см. Gilfanov et al. (1999).
Одним из возможных вариантов геометрии источника является модель «усечённого диска», показанная на рис. 1. Согласно этой модели, в «жестком» состоянии диск заканчивается на некоем переходном радиусе, внутри которого аккреционный поток становится оптически тонким и геометрически толстым. В «мягком» состоянии корона имеет существенно меньшие размеры, а нетепловая комптонизации происходит в активных областях на поверхности диска. Диск из-
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
лучает мягкие «затравочные» фотоны (впоследствии подвергающиеся комптонизации) и служит так же средой, порождающей отраженную компоненту.
Существует много работ, посвященных анализу индивидуальных наблюдений. Многие предшествующие исследования спектров черных дыр либо опирались на небольшое количество данных, либо использовали то.чько узкий энергетический диапазон при анализе множества спектров. Однако естественно, что в первом случае невозможно выявить статистические зависимости, а во втором — с уверенностью определить модель, корректно описывающую спектр за пределом выбранного узкого диапазона В данной диссертации, нами впервые проанализирован большой набор спектров рентгеновскою источника с черной дырой Лебедь Х-1 по данным совместных наблюдений спутников Ginga, CGRO и RXTE в широком диапазоне энергий 3-1000 кэВ. Обнаружено, что широкополосные спектры не описываются использовавшимися ранее моделями вида «излучение от диска плюс комптонизация», а требуют присутствия дополнительной мягкой компоненты в диапазоне ниже 10 кэВ. Эта компонента может возникнуть в результате (тепловой или нетепловой) комптонизации в некоей отдельной активной области. Нетепловая комптонизация позволяет одновременно промоделировать как мягкий избыток, так и степенной «хвост» на энергиях выше 500 кэВ. В диссертации мы анализируем наблюдаемые зависимости между спектральными параметрами. Ранее обнаруженная в работе Gilfanov el al. (1999)зависимость между наклоном спектра и амплитудой отраженной компоненты подтвердилась, но количественные значения параметров подверглись заметной корректировке. Показано, что выявленная сильная корреляция между «компактностью» (отношением светимости к характеристическому размеру излучающей области) и частотами квазипериодичееких осцилляции (Axelsson et al., 2005) прекрасно описывается законом, предсказываемым моделью «усеченного диска». Паша интерпретация демонстрирует, что наклон комптоновского континуума может не совпадать с наклоном наблюдаемого спектра. Продемонстрированные нами корреляции изменений спектральных характеристик позволяют проверить теоретические модели процессов, происходящих в источнике.
Долговременные наблюдения позволяют нам анализировать процессы, протекающие на масштабах многих дней. Примером долгопсриодического процесса является исследованная нами в данной диссертации «суперорбитальная» переменность в источнике Лебедь Х-1, с периодом примерно 150 дней, наблюдаемая практически во всех спектральных диапазонах (Brocksopp et al., 1999а; Pooley et al., 1999; Ozdemir& Demircan, 2001; Benlloch el al., 2001, 2004; Karitskaya et al., 2001; Laciiowicz et al., 2006). Общепринятая интерпретация этого феномена — прецессия аккреционного диска и/или джета (Katz, 1973, 1980; Larwood, 1998; Wijers & Pringle, 1999; Ogilvie & Dubus, 2001; Torres et al., 2005; Caproni et al., 2006, геометрия системы показана на рис. 2.4); исключением является объект 4U 1820-303 (где край диска, частично заслоняющий центральный объект, меняет размеры в зависимости от переменного темпа аккреции, Zdziarski et al. 2007а). В данной диссертации проанализированы параметры суперорбитальной переменности источника Лебедь Х-1 с помощью ряда физических моделей анизотропии излучения. Впервые определены параметры прецессии диска (угол прецессии порядка 10-20 градусов). Продемонстрировано, что модель тепловой комптонизации в геометрии «плоского слоя» прекрасно описывает изменения амплитуды суперорбитальной переменности в зависимости от энергии. Профиль переменности в радиодиапазоне хорошо аппроксимируется моделью излучения релятивистского джета со скоростью порядка 0.3—0.5 световой.
Кроме того, нами открыта зависимость характеристик орбитальной переменности от фазы суперорбитальной. Такое поведение объясняется нами наличием «аккреционного бллджа» на краю диска, вероятно, в месте перехода сфокусированного ветра в диск. В зависимости от фазы прецессии диска, на луче зрения оказывается разное количество поглощающего вещества, что и
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
Мягкое излучение Комптонизированное диска жесткое излучение
Горячий
внутренний поток
Черная дыра
Холодный внешний диск
Радио джет
Магкое Комптонизированное
излучение диска жесткое излучение
Черная дыра
Отраженное излучение
Активные области
Рис. 1. Геометрии «жесткого» и «мягкого» спектральных состояний источника Лебедь Х-1 в модели «усечённого диска». Адаптация из г<1г1аг8к1 е1 а1. (2002). Показаны черная дыра, радио-джст, аккреционный диск, горячая корона и активные области.
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
Рис. 2. Схема аккрецирующего миллисекундного рентгеновского пульсара (С1егПЙ8к| с* а1м 2002). Показаны аккреционный диск, магнитное поле, аккреционная ударная волна и горячее пятно.
9
ОГЛАВЛЕНИЕ
ведет к появлению наблюдаемой зависимости. Наблюдаемый! эффект промоделирован теоретически. Фурье-спектр модели успешно объясняет открытые ранее асимметричные частоты «биений'» между частотами орбитальной и супероронтальной переменности (Lachowicz et а!.. 2U06). Эта новая информация является полезной для теоретиков, моделирующих процессы аккреции в системах с мощным звездным ветром.
Так же, в диссертации рассмотрен представитель класса аккрецирующих миллисекундных рентгеновских пульсаров — SAX J 1808.4-3658. Данные объекты — трзнзиенты с периодом вспышек пооядка дв\'х лет. На данный момент известно 12 источников: SAX J1808.4—3658 (i/ = 401 Гц), ХТЕ J1751-305 (и = 435 Гц). ХТЕ J0929-314 (и = 185 Гц). ХТЕ J1807-294 (и = 191 Гц). ХТЕ J1814-338 (и =» 314 Гц), IGR J00291-4-5934 (и = 590 Гц). НЕТЕ J1900.1-2455 (у = 377 Гц), SWIFT J1756.9-250S (и = 132 Гц). НЕТЕ J1900.1-2455 (ху = 377 Гц). Aql Х-1 (и = 550 Гц). SAX J 1748.9-2021 {v = 442 Гц). NGC 6440 Х-2 (и = 205 Гц), IGR Л 7511-3057 [и = 245 Гц). Спектр объектов состоит из двух основных компонент - мягкой чернотельной компоненты в диапазоне ниже 7 кэВ и степенного спектра (с наклоном порядка 1.9 и с завалом в районе ~ 100 кэЗ). Обе компоненты демонстрируют .миллисекундные пульсации, что указывает на их происхождение в районе так называемых «горячих пятен^ на магнитных полюсах звезды, куда падает вещестзо под воздействием магнитного поля (рис. 2). Жесткий степенной спектр, по - видимо му, возникает в аккреционной ударной волне, в то время как чернотельное излучение может генерироваться на нагретой поверхности нейтронной звезды вокруг ударной волны. Было обнаружено, что эти две компоненты не синфаэны. т.е. между ними существует временная задержка (более жесткие фотоны опережают более мягкие). Данная задержка имеет зависимость от энергии: она плавно уменьшается до величины примерно 200-300 микросекунд в диапазоне до 10 кэВ, после чего остается постоянной (исключение — IGR J00291+5934, где после 10 кэВ имеет место обратный тренд, см. Falanga et al. 2005b).
Нами апервые выполнен подробный спектральный анализ вспышки 2002 года аккрецирующего миллисекундного пульсара SAX J 1808.4-3658 и построены зависимости параметров аппроксимации от времени и друг от друга. В частности, мы демонстрируем, что амплитуда отраженной компоненты падает с уменьшением темпа аккреции. Показано, что форма профилен
ОГЛАВЛЕНИЕ
пульсов имеет ярко выраженную зависимость от энергии. Проведены оценки геометрических параметров системы. Впервые высказана идеи, что изменение профилей пульсов связано с переменным во времени экранированием одного из «горячих пятен» краем аккреционного диска. Эволюция спектральных (амплитуда отражения) и временных параметров (частоты квазнперп-одичеекпх осцилляций, формы пульсов) свидетельствует о том. что в процессе вспышки диск медленно отступает от нейтронной звезды.
Исследование аккрецирующих миллисекундных пульсаров и, в частности, анализ их профилей пульсов важно для понимания механизмов излучения в этих объектах, свойств контролируемо]'! магнитным нолем аккреции (которые не прояснены до конца на данный момент) и для фундаментальных исследований сверхплотного вещества, составляющего «внутреннее ядро» нейтронных звезд. Различные теории строения внутреннего ядра предсказывают различные зависимости массы нейтронной звезды от радиуса. Моделирование профилен пульсов позволяет уточнить эти параметры для наших объектов. Нами проанализирован ряд сложных профилей пульсов пульсара БАХ Л 1808.4—3658 (вспышка 2002г.) и предложено объяснение, что причиной их появления и эволюции является последовательное появление в поле зрения наблюдателя второго горячего пятна, по мере того как оно перестает экранироваться диском, отступающим от звезды (такое поведение диска естественно следует из увеличения Альфвеновского радиуса в процессе падения темпа аккреции). Нами показано, что эволюция наблюдаемых профилей хорошо описывается предложенным сценарием. Данная модель является первым физически правдоподобным объяснением наблюдаемой эволюции сложных профилей пульсов аккрецирующих миллисекундных рентгеновских пульсаров.
- Київ+380960830922