Исследование аккрецирующих нейтронных звезд с сильным магнитным полем по данным космических обсерваторий

2.2 Временной анализ.38.

2.3 Спектроскопия.43.

2.4 Оценка параметров звездного ветра.44.

2.5 Заключение.50.

3 Долговременные наблюдения рентгеновского пульсара LMC Х-4 обсерваториями ИНТЕГРАЛ и RXTE 51.

3.1 Введение.51.

3.2 Наблюдения.52.

3.3 Временной анализ.53.

3.3.1 Период прецессии .53.

3.3.2 Орбитальный период .56.

3.3.3 Всплески излучения.58.

3.4 Спектральный анализ.59.

3.5 Заключение.61.

4 ОГЛАВЛЕНИЕ.

4 Магнитное поле и расстояние до рентгеновского пульсара KS 1947+300 63.

4.1 Введение .63.

4.2 Наблюдения.64.

4.3 Временной анализ.65.

4.4 Спектральный анализ.71.

4.5 Обсуждение .75.

4.5.1 Эволюция профиля импульса.75.

4.5.2 Циклотронные линии и магнитное поле.76.

4.5.3 Эволюция периода пульсаций.76.

4.6 Заключение.78.

5 V 0332+53 во время вспышки 2004;2005 гг.: зависимость циклотронной частоты и профиля импульса от светимости пульсара 79.

5.1 Введение .79.

5.2 Наблюдения.80.

5.3 Кривая блеска.80.

5.4 Спектральный анализ.83.

5.5 Профиль импульса.87.

5.6 Обсуждение .91.

5.6.1 Циклотронная линия. 92.

5.6.2 Профиль импульса. ... 94.

5.7 Заключение. 96.

6 4U 0115+63 по данным обсерваторий RXTE и ИНТЕГРАЛ: вариации циклотронной частоты и формы профиля импульса 97.

6.1 Введение. 97.

6.2 Результаты и обсуждение.101.

6.2.1 Профиль импульса.101.

6.2.2 Спектральный анализ.111.

6.3 Заключение.120.

7 Жесткие спектры рентгеновских пульсаров по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ 121.

7.1 Введение.121.

7.2 Наблюдения.122.

7.3 Анализ данных.122.

7.4 Результаты.124.

7.5 Заключение.139.

Заключение

145.

Литература

147.

Гипотеза о существовании нейтронных звезд — объектов с очень высокими плотностями и малыми радиусами, — была высказана астрономами Вальтером Бааде и Фрицом Цвикки в начале 30-х годов прошлого века (Бааде, Цвикки, 1933), вскоре после открытия нейтрона. Однако из-за малой площади поверхности их остаточное тепловое излучение оказывалось слишком слабым для наблюдений с помощью оптических телескопов. Все изменилось в 1967 г., когда английские ученые обнаружили на небе радиосигнал, возникающий с очень высокой периодичностью (Хьюиш и др., 1968). Источник данного сигнала был интерпретирован как быстро вращающаяся нейтронная звезда — пульсар. Запущенный в 1970 г. спутник UHURU обнаружил пульсирующее излучение компактных рентгеновских источников — рентгеновских пульсаров, представляющих собой нейтронные звезды, находящиеся в тесных двойных системах и аккрецирующие вещество от своего нормального звездного компаньона (Шрейер и др., 1972).

В настоящее время известно около 100 рентгеновских пульсаров, находящихся в двойных системах. Основным механизмом, способным обеспечить наблюдаемую у них высокую светимость (L ~ 1035 — 1038 эрг/с) является аккреция вещества. Считается, что пульсации рентгеновского излучения связаны с тем, что в состав таких систем входят нейтронные звезды с сильным магнитным полем (В~ 1012 Гс). При таких значениях магнитного поля (которое в первом приближении имеет форму диполя) существует некоторый радиус Ra (называемый альвеповским), на котором давление падающего вещества уравновешивается давлением магнитного поля нейтронной звезды. Вещество не может проникнуть внутрь магнитосферы, вмораживается и стекает по силовым линиям в область полюсов, образуя на поверхности нейтронной звезды два горячих пятна, в которых захваченное вещество освобождает свою гравитационную энергию, которая высвечивается в рентгеновском и гамма-диапазонах (см. рис. 1). При соответствующей ориентации оси магнитного диполя относительно оси вращения, эти пятна будут периодически появляться на луче зрения, демонстрируя пульсации излучения. Звездами-компаньонами в таких источниках являются звезды ранних спектральных классов (О-В и Be), поэтому в этих системах, как правило, присутствует сильный звездный ветер, из которого и происходит аккреция, хотя в ряде случаев может образовываться аккреционный диск, наблюдаться двухпо-токовая аккреция и т. д., причем на разных стадиях эволюции пульсара тип ак.

Рис. 1, X-Z сечение аккреционного канала для угла наклона магнитной оси 9 = 15°. Контурами показано распределение плотности в потоке. (Рисунок взят из работы Романовой и др. (2004)) крепи и может меняться, В соответствии с этим различаются и наблюдательные проявления источников.

Кривые блеска пульсара, его период и профиль импульса, энергетический спектр и их переменность на различных временных масштабах — это единственная информация которая доступна наблюдателю и которая может дать представление о параметрах нейтронной звезды, о механизмах формирования излучения, о его взаимодействии с окружающей материей, о конкретном состоянии вещества на разных расстояниях от нейтронной звезды, а также может быть использована для сравнения с существующими и разработки новых теоретических моделей.

Конечно, описанная выше картина аккреции является очень упрощенной и схематичнойв действительности она оказывается гораздо сложнее и интереснее, о чем говорит, например, огромное разнообразие фазовых кривых блеска (профилей импульса) рентгеновских пульсаров. За время исследования этих объектов разными авторами было сделано множество попыток систематизировать и объяснить наблюдаемые формы профилей импульса, однако, каждый раз находились источники, не описывающиеся существующими моделями. Так, например, согласно классификации Булика и лр. (2003) каждый пульсар может быть отнесен либо к одно, либо к двух пиковому подклассу профилей. Такая классификация основана на том факте, что в процессе вращения нейтронной звезды наблюдатель видит либо один, либо два магнитных полюса, соответственно. Причем на малых энергиях это различие может быть не столь явным, однако выше ~ 10 кэВ, или в случае пульсаров с циклотронной особенностьювыше циклотронной энергии, можно четко разделить одно и двух пиковые профили.

Однако, как было показано в ряде, в том числе и более ранних, работ (см., например, Ванг и Велтер, 1981, Вайт и др., 1983), профили импульса не просто обладают большим разнообразием форм в зависимости от светимости, но и могут в некоторых случаях смещаться вплоть до 180° по фазе с изменением энергетического диапазона (даже в жестких каналах). Кроме зависимости формы профилей импульса от энергетического диапазона и собственной светимости источника, они также обладают переменностью на масштабе одного импульса (см., например, Фронтера и др., 1985, Цыганков и др., 2007).

В работах Баско и Сюняева (1976а, б) было показано, что направленность излучения вещества вблизи полярных шапок коренным образом зависит от наличия ударной волны в аккреционной колонке нейтронной звезды. Для ситуации высокой светимости (> 1037 эрг/с) влиянием излучения на падающее вещество пренебрегать нельзя и над поверхностью нейтронной звезды возникает ударная волна, в которой происходит торможение падающего вещества. Излучающая плазма медленно оседает в зоне под ударной волнойизлучение, в основном, выходит через боковые стенки аккреционной колонки и имеет пропеллерную диаграмму направленности. В случае более низких светимостей (<1037 эрг/с) вещество тормозится непосредственно вблизи поверхности нейтронной звезды и карандашная диаграмма направленности излучения будет более вероятна. При некоторых промежуточных светимостях диаграмма направленности будет представлять из себя комбинацию пропеллерной и карандашной, также она может меняться в зависимости от энергетического диапазона (Вайт и др., 1983).

Из всего вышесказанного становится понятно, что исследование свойств профиля импульса и его эволюции может дать представление не только о геометрии системы, но и о конкретных физических процессах и условиях вблизи поверхности нейтронных звезд. Вопрос переменности профиля импульса в зависимости от времени, светимости и энергетического диапазона рассмотрен в главах 2,4,5 и 6 настоящей диссертации на примере некоторых пульсаров. В частности, для пульсара V0332+53 был обнаружен резкий переход от двухпиковой формы профиля к однопиковой в районе циклотронной частоты, а также смещение пиков по фазе вплоть до 180°. Значительные изменения формы профиля импульса обнаружены в пульсарах KS1947+300 и 4U0115+63. В последнем найдена значительная переменность профиля на масштабе периода вращения нейтронной звезды.

Важным инструментом в исследовании свойств магнитосферы нейтронных звезд является наблюдение зависимости частоты собственного вращения от светимости пульсара. Во время вспышек у рентгеновских пульсаров происходит значительное увеличение темпа аккреции вещества на нейтронную звезду. В таком случае можно наблюдать ускорение вращения пульсара, что связано с увеличением количества вращательного момента, переданного аккрецируемым веществом нейтронной звездепри этом решающую роль играет величина магнитного поля нейтронной звезды (Гош, Лэмб, 1979).

Корреляция между темпом изменения периода импульса и рентгеновской светимостью во время вспышек установлена к настоящему моменту у целого ряда транзиентных источников (см., например, Галловей и др. 2004, Байкал и др., 2002 и ссылки там). Используя такую зависимость при исследовании пульсара KS1947+300, были определены расстояние до двойной системы и величина магнитного поля на поверхности нейтронной звезды (см. главу 4).

Для определения собственного периода пульсаций время прихода каждого фотона корректировалось на движение космического аппарата вокруг Земли, Земли вокруг Солнца и нейтронной звезды в двойной системе. Последний шаг выполнялся, используя формулу (1), и позволял кроме определения собственного периода также уточнить орбитальные параметры двойной системы. + + (1) ^ с l+ecosi' п где /" - время прихода n-ого импульса, 7″ о — временная эпоха,^2пРп ~ сумма п периодов пульсаций, axsini — проекция большой полуоси орбиты, е — эксцентриситет, ш — долгота прохождения периастра, и — истинная аномалия.

Единственным непосредственным методом измерения величины магнитного поля нейтронной звезды является регистрация циклотронных линий (Гнедин, Сюняев 1974) в спектре рентгеновских пульсаров.

Электроны, находящиеся в магнитном поле В, будут двигаться по спирали вдоль магнитных силовых линий с Ларморовской частотой: еВ п ис —> (2) уте где 7 — Лоренц-фактор.

При этом движение электронов в направлении, перпендикулярном магнитному полю, квантовано на эквидистантные уровни (уровни Ландау): hwn = ntiLJc (3).

Некоторое отклонение (<10%) от гармонического распределения уровней Ландау появляется при учете релятивистских поправок (Хардинг, Доэрти, 1991): о J тс2 + 2nhujcsin2e — 1 тс-ш-' (4) где в — угол между лучем зрения и магнитным полем В.

Из формулы (2) вытекает простое соотношение между наблюдаемой циклотронной особенностью в спектре источника и величиной магнитного поля: 11.6 х В2 х (1 +z)-1 кэВ, гдеВ)2 — напряженность магнитного поля в единицах 1012 Гс, z — гравитационное красное смещение. Впервые этим методом было измерено магнитное поле у пульсара Her Х-1 (Трюмпер и др. 1978).

Подробные исследования поведения циклотронной линии в зависимости от светимости проведено в главах 5 и 6 для пульсаров V0332+53 и 4 U0115+63, соответственно. Впервые показано, что основная частота этой линии не является постоянной, а увеличивается с уменьшением светимости источника V0332+53 по такому же закону, как и высота ударной волны в аккреционной колонке. В случае пульсара 4U0115+63 зависимость циклотронной энергии от светимости также присутствует, однако является существенно более сложной. На основании полученных результатов и теории Баско и Сюняева (1976а) сделано заключение относительно свойств аккреционных колонок на полюсах нейтронной звезды.

Несмотря на длительное время изучения, до сих пор не существует убедительной и легко параметризуемой теоретической модели, описывающей спектр аккрецирующих рентгеновских пульсаров. Наиболее распространенная модель, используемая при аппроксимации, дает форму спектра в виде степенного закона с экспоненциальным завалом (Байт и др., 1983, см. ниже). Для создания физически обоснованной модели необходим анализ излучения большого числа рентгеновских пульсаров, находящихся в различных состояниях по интенсивности и входящих в состав двойных систем разных классов.

В главе 7 представлен каталог жестких спектров рентгеновских пульсаров, наблюдавшихся обсерваторией ИНТЕГРАЛ с декабря 2002 г. по январь 2005 г. Представлены спектры 35 аккрецирующих рентгеновских и одного миллисе-кундного пульсаров. Среди исследованных пульсаров присутствуют 7 недавно открытых объектов этого класса: 2RXP J130159.6−635 806, IGR/AX J16320−4751, IGR J16358−4726, AX J163904−4642, IGR J16465−4507, SAX/IGR J18027−2017, AX J1841.0−0535. Также впервые получены спектры аккрецирующих пульсаров, А 0114+650, RX J0146.9+6121, АХ J 1820.5−1434 и АХ J1841.0−0535 в жестком рентгеновском диапазоне энергий (> 20 кэВ). Одной из целей создания данного каталога был поиск циклотронных особенностей в спектрах тех пульсаров, где такая особенность до сих пор не наблюдалась (см., например, главы 1 и 3).

Одной из основных моделей, используемых в диссертации при аппроксимации наблюдаемых спектров излучения рентгеновских пульсаров, являлась стандартная для объектов этого класса эмпирическая модель, включающая в себя степенной закон с завалом на высоких энергиях (Байт и др. 1983):

5) где, а — фотонный индекс, ?<-«/ и Ещ — энергия слома и характерная энергия завала спектра, соответственно. Для некоторых пульсаров, при аппроксимации спектров которых моделью (5) не удавалось получить разумно ограниченное значение параметра Ecui, использовалась модель, которая имеет следующий вид:

CUTOFF (E) = АЕ~а х exp~E>EsM. (6).

В некоторых случаях стандартная модель не совсем корректно описывает форму спектра пульсара из-за наличия в нем особенностей поглощения или излучения, поэтому при аппроксимации в модель вводились дополнительные компоненты: фото-электронное поглощение на низких энергиях, которое описывается формулой:

WABS (E) = exp{-NH х *(?)), (7) где а (Е) — сечение процесса (Моррисон, МакКамон 1983) — эмиссионная линия железа, описываемая профилем Гаусса:

GAUS (E) = -J= х exp (-0.5{(E-EFe)/.

V (2 n) crFe где Efeцентр линии, aFe — ширина линиирезонансная линия циклотронного поглощения в форме профиля Лоренца, модель которой имеет следующий вид:

CYCL (E) = exp (-y{^ffcf)2), (9).

V {E-Ecydy + azcyd J где Есус[ - центр линии, тсус1 — глубина линии, acyci — ширина линии.

В зависимости от конкретного источника и его состояния для аппроксимации спектра его излучения использовались приведенные выше спектральные компоненты в различных комбинациях.

Обсерватория ГРАНАТ. Телескоп АРТ-П.

1 декабря 1989 г. ракетой-носителем ПРОТОН была выведена на высоко-апогейную орбиту, — период 96 ч, апогей 200 000 км, перигей 2000 км, наклонение 51.6°, — международная астрофизическая обсерватория ГРАНАТ. В ее состав входило несколько научных приборов, основными из которых были дварентгеновский телескоп АРТ-П (Сюняев и др., 1990), разработанный в СССР и эффективно регистрирующий фотоны с энергией 2−60 кэВ, и французский телескоп СИГМА, предназначенный для работы в жестком диапазоне энергий 30 — 1500 кэВ (Поль и др., 1991). Именно эти два прибора предназначались для выполнения основной задачи миссии — длительному (24 часа и более) наблюдению источников рентгеновского и гамма-излучения в широком диапазоне энергий с угловым разрешением несколько угловых минут и временным разрешением порядка миллисекунды. На рис. 2 показан общий вид обсерватории ГРАНАТ, а стрелкой указан телескоп АРТ-П.

Телескоп АРТ-П состоит из четырех сонаправленных, полностью идентичных модулей, каждый из которых имеет геометрическую площадь 625 см² и включает в себя многопроволочную пропорциональную камеру, коллиматор, блок электроники и маску, поддерживаемую легкой фермой из углепластика. Маска сделана из меди толщиной 1.5 мм и состоит из 16 одинаковых мотивов размером 43×41 элемент, построенных на основе URA-последователыюстей. Телескоп АРТ-П имеет канал для обмена информацией с телескопом СИГМА. По этому каналу осуществляется передача научной информации из АРТ-П в долговременную память на цилиндрических магнитных доменах телескопа СИГМА. Кроме того, по этому же каналу принимаются данные от звездного датчика, определяющего мгновенную ориентацию космического аппарата с точностью < 1'.

Наблюдения проводились в режиме «поток фотонов», при котором для каждого фотона в буферную память прибора записывались его координаты на детекторе (с точностью ~0.5 мм), энергия (1024 канала) и время прихода (с точностью 1/256 с). Такой режим позволяет проводить как временной, так и спектральный анализ излучения каждого рентгеновского источника, находящегося в поле зрения телескопа.

Передача данных в основную память проводилась после заполнения буфера.

Рис. 2. Орбитальная астрофизическая обсерватория ГРАНАТ. Стрелочкой показан телескоп АРТ-П. один раз за 100−200 сек) в течении ~30 сек, в результате чего записанная информация имеет вид отдельных экспозиций с разрывами между ними. Космический аппарат стабилизирован с точностью порядка ±30 мин. дуги. В результате его качания в этих пределах поток от источника модулируется с характерным временем 900−1100 с функцией пропускания коллиматора. При анализе данных телескопа АРТ-П вводились поправки на этот эффект.

Основные технические характеристики телескопа АРТ-П приведены ниже.

Параметр

Величина.

Диапазон для спектрометрии и временного анализа.

Диапазон для построения изображения.

Поле зрения.

Угловое разрешение.

Точность локализации.

Эффективная площадь каждого детектора.

Расстояние между маской и детектором.

Давление.

Газовая смесь.

Энергетическое разрешение Временное разрешение Мертвое время.

2.5−100 кэВ 2.5−60 кэВ 3°4×3°6 5.2'.

625/2=312.5 см2 1320 мм 1.2−1.5 атм.

85%Хе+Ю%Аг+5%С03 25% на 5.9 кэВ ~ 3.9 мс 580 дс.

Обсерватория ИНТЕГРАЛ.

17 октября 2002 года с космодрома Байконур был успешно осуществлен старт тяжелой ракеты-носителя ПРОТОН с международной астрофизической обсерваторией гамма-лучей ИНТЕГРАЛ (Винклер и др., 2003).

После ряда маневров, осуществлявшихся с помощью собственных двигателей аппарата, ИНТЕГРАЛ занял высокоапогейную орбиту с перигеем 9300 км и апогеем 153 000 км. Столь вытянутая орбита позволяет проводить со спутника практически непрерывные наблюдения (85% времени) в условиях постоянного фона вне радиационных поясов Земли.

Проект ИНТЕГРАЛ (Международная Астрофизическая Лаборатория Гамма-Лучей) направлен на проведение сверхтонкой (Е/<5Е=500) гамма-спектроскопии космического излучения и построение детальных изображений неба в диапазоне энергий от 15 кэВ до 10 МэВ с одновременным мониторингом космических источников в рентгеновском (3−35 кэВ) и оптическом (V-полоса, 550 нм) диапазонах. Для решения основных научных задач обсерватория оснащена четырьмя телескопами (см. рис. 3).

Телескоп IBIS (Imager on Board the INTEGRAL Satellite). Телескоп IBIS (Убертини и др., 2003) обеспечивает получение гамма-изображений с более высоким разрешением, нежели любые предшествующие приборы работавшие в жестком диапазоне энергий, и обеспечивает локализацию источников излучения с точностью до 30 угловых секунд.

Угловое разрешение телескопа определяется, в основном, пространственным разрешением массива детекторов, т.к. дифракцией в рассматриваемом диапазоне длин волн можно пренебречь. Угловое разрешение телескопа с кодирующей апертурой определяется соотношением между размером элемента маски кодирующей апертуры (11.2 мм) и расстоянием между апертурой и массивом детекторов (3133 мм). Телескоп чувствителен к фотонам с энергиями от 15 кэВ до 10 МэВ и состоит из детектора и вольфрамовой кодирующей маски, которая поднята над детектором на 3.2 метра. В детекторе используется два слоя чувствительных элементов, один слой расположен поверх другого. Верхний слой, включающий в себя 16 384 кадмий-теллуровых (Cd-Te) элемента, позволяет обнаруживать низкоэнергичные гамма-лучи (15−200 кэВ). Второй слой состоит из 4096 цезий-йодных (Csl) элементов и обеспечивает регистрацию высокоэпер-гичных гамма-квантов.

Рис. 3. Г) ортовая аппаратура обсерватории ИНТЕГРАЛ.

В жестком рентгеновском диапазоне апертура детектора ограничена пассивной защитой, закрывающей весь объем от детекторных пластин до кодирующей маски. Активная система защиты, собранная на основе BGO сцинтилляторов, закрывает детекторы снизу и пространство между детекторами с четырех сторон.

В диссертации много внимания уделялось спектральному и временному исследованию излучения, регистрируемого от рентгеновских пульсаров, В зависимости от конкретной задачи, использовались те методы и программное обеспечение, которые наиболее хорошо отвечают поставленным задачам.

Для спектрального анализа излучения, регистрируемого телескопом IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ использовалось математическое обеспечение и методы, разработанные н Институте космических исследований РАН (Москва, Россия) и описанные в работе Ревнивнева и др. (2004). Для каждого отдельного сеанса наблюдений энергии зарегистрированных событий вычислялись аналогично процедуре, используемой в стандартном программном обсспс.

Crob.

Energy, keV.

Рис. 4. Энергетический спектр Крабовидной туманности. Сплошная линия — результаты наилучшей аппроксимации спектра степенным законом со следующими параметрами, а = 2.130 ± 0.008, Norm = 11.27 ± 0.35. Ошибки даны на уровне одного стандартного отклонения. чепии миссии OS А, предоставляемого Центром данных обсерватории ИНТЕГРАЛ (http://isdc.unige.ch). Далее, события, аккумулированные в детекторных координатах, были отфильтрованы на наличие «горячих» или «мертвых» пикселов, что привело к отсеиванию нескольких процентов пикселов детектора.

Для того чтобы учесть пространственно неоднородный фон детектора, была вычислена соответствующая матрица весов. Фон, использованный для вычисления такой матрицы, был получен в результате анализа большого массива наблюдений пустых полей на небе.

Анализ большого набора наблюдений Крабовидной туманности с различными положениями этого источника в поле зрения телескопа показал, что при использовании описываемого программного обеспечения остаются систематические неопределенности абсолютного значения измеренного потока источников на уровне ~ 10%. Неопределенности в получаемых энергетических спектрах источников, связанные с эволюцией фона детектора и его характеристик, не превышают ~ 3%. Последняя величина была добавлена в качестве систематической неопределенности при спектральном анализе в пакете программ XSPEC.

На рис. 4 в качестве примера показан энергетический спектр Крабовидной туманности, восстановленный этим методом по данным 170 орбиты. Матрица отклика строилась по данным 102 орбиты. При аппроксимации этого спектра степенным законом была добавлена систематическая ошибка 3%, получены еледующие значения параметров: фотонный индекс, а = 2.13 ±0.02, нормировка Norm = 11.27±0.35. Все ошибки, приведенные в данной диссертации, являются статистическими и даны на уровне одного стандартного отклонения.

Для временного анализа излучения выполнялись первые три шага стандартного пакета OSA (COR, GTI, DEAD), затем с помощью программы из пакета OSA eventsuextract с пикселов детектора, засвеченных источником, отбирались фотоны с заданной энергией, попутно осуществляя коррекцию времен их прихода на барицентр Солнечной системы. Такой простой, но эффективный способ аккумулирования фотонов от источника выбирался, когда не требовалось коррекции потока от источника на фоновое излучение. Когда же требовалось исследование количественных характеристик пульсирующего излучения, то использовалась программное обеспечение, разработанное и поддерживаемое специалистами из Национального Астрофизического Института в г. Палермо, Италия (http://wwv.pa.iasf.cnr.it/~ferrigno/INTEGRALsoftw'are.html) — описание методики обработки научных данных также может быть найдено в работе Минео и др. (2006). Дальнейший анализ (определение периода пульсаций, построение собственно профиля импульса, определение доли пульсирующего излучения) проводился с помощью пакета FTOOLS.

Технические характеристики телескопа IBIS:

Параметр Величина.

Рабочий диапазон энергии 15 кэВ — 10 МэВ.

Энергетическое разрешение (FWHM) 7% на 100 кэВ.

Угловое разрешение (FWHM) Точность локализации точечного ист-ка (90% радиус ошибок) Чувствительность в континууме фотонов см-2 сек-1 кэВ-1 (значимость детектирования За, АЕ = Е/2, период накопления сигнала 106 сек) Чувствительность в линии фотонов см-2 сек-1.

За, период накопления сигнала 106 сек) Абсолютная временная точность (3 а).

Эффективная площадь.

Поле зрения.

9% на 1 МэВ ISGRI: 960 см² на 50 кэВ PICsIT: 870 см² на 300 кэВ 9°х 9°(полное кодирование) 19° х 19°(част. кодиров., 50%) 12'.

30″ на 100 кэВ 60″ на 1 МэВ 3.8 х Ю-7 на 100 кэВ 1 — 2×10−7 на 1 МэВ.

— 1.

1.3 х Ю-5 на 100 кэВ 4 х Ю-5 на 1 МэВ.

ISGRI: 61 цс PICsIT: 0.976 — 500 мс.

Спектрометр SPI (SPectrometer on INTEGRAL), Спектрометр SPI (Ве-дренне и др., 2003) обеспечивает высокоточное измерение энергии гаммаизлучения. По своей чувствительности этот прибор намного превосходит все существовавшие до сих пор измерительные устройства. SPI используется для анализа гамма-источников в диапазоне энергий от 20 кэВ до 8 МэВ. Он состоит из 19 шестиугольных регистрирующих элементов, изготовленных из германия высокой чистоты и охлаждаемых до температуры минус 183 градуса Цельсия (90 градусов по шкале Кельвина).

Оптический монитор ОМС. С помощью оптического монитора ОМС аппарат ИНТЕГРАЛ автоматически производит синхронный мониторинг оптического излучения, исходящего от источников гаммаи рентгеновского излучения.

Монитор рентгеновских лучей JEM-X (Joint European X-Ray Monitor).

JEM-X (Лунд и др. 2003) играет главную роль в обнаружении и отождествлении гамма-источников. Монитор осуществляет наблюдения синхронно с друга-ми приборами и способен работать в диапазоне энергий от 3 до 35 кэВ. Как и телескоп IBIS и спектрометр SPI монитор JEM-X представляет из себя телескоп с кодирующей апертурой, однако обладает более высоким угловым разрешением, что помогает при идентификации источников, находящихся в густонаселенных областях неба.

Каждый из детекторов JEM-X представляет собой заполненную газом ми-крополосковую камеру, площадь которой составляет 500 см². Газ, заполняющий каждую из камер, представляет из себя смесь ксенона (90%) и метана (10%), находящуюся под давлением в 1.5 бар. Входящие фотоны претерпевают фотонно-электронное поглощение в ксеноне, вызывая появление облака йонов. Это облако ускоряется и растет в йонной лавине, возникающей в сильном электрическом поле, создаваемом в области микрополосковых анодов, и вызывает появление на аноде электронного импульса. Положение возникновения лавины йонов по направлению, перпендикулярному микрополосковым анодам, определяется по центроиду зарегистрированного заряда. Другая координата события вычисляется по показаниям датчиков-электродов, вмонтированных в нижнюю поверхность микрополосковой пластины (MSP).

Входное окно детектора сделано из тонкой (250 /ш) бериллиевой фольга, непроницаемой для газа, заполняющего детектор, однако, хорошо пропускающего мягкое рентгеновское излучение.

Наблюдения при помощи приборов J ЕМ-Х, IBIS и SPI проводятся одновременно, что позволяет исследовать излучение рентгеновских источников в очень широком диапазоне энергий.

Временной и спектральный анализ данных монитора JEM-X осуществлялся с помощью стандартного программного обеспечение миссии OSA. Следует иметь в виду, что абсолютные потоки от источников по данным монитора J ЕМ-X восстанавливаются не совсем корректно, поэтому при совместной аппроксимации в пакете XSPEC спектров источников, полученных монитором J ЕМ-Х и детектором ISGRI, нормировка данных монитора JEM-X оставлялась свободной. Также стоит отметить, что в восстановленных по данным прибора JEM-X спектрах существует ряд особенностей в районе энергий 5−7 кэВ, которые объясняются недоработкой текущей матрицы отклика прибора. Эти особенности затрудняют детальное изучение спектра источника, в частности, идентификацию эмиссионной линии железа и определение ее параметров.1 Технические характеристики монитора J ЕМ-Х:

ПараметрВеличина.

Рабочий диапазон энергии 3−35 кэВ.

Энергетическое разрешение АЕ/Е = 0.40 х (E/lkeV)~^2.

Поле зрения (диаметр) 4.8 (полное кодирование).

Угловое разрешение Относительная ошибка локализации точечного источника Чувствительность в континууме фотонов см-2 сек-1 кэВ~' (значимость детектирования Зсг, период накопления сигнала 106 сек) Чувствительность в линии фотонов см-2 сек-1.

Зсг, период накопления сигнала 106 сек) Временное разрешение.

7.5°(част. кодиров., 50%) 3'.

30″ .

1.3 х Ю-5 на б кэВ 8.0×10~6 на 30 кэВ.

1.7 х Ю-5 на б кэВ 5.0 х Ю-5 на 30 кэВ.

122 цс частная переписка с Карол Эн Оксборроу (Carol Anne Oxborrow) и Питером Крейчмаром (Peter Kretschmar).

Обсерватория RXTE.

Обсерватория RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer) была выведена на околоземную орбиту 30 декабря 1995 года с мыса Канаверал. Основными приборами обсерватории RXTE (Брадт и др., 1993) являются спектрометры РСА и НЕХТЕ (рис. 5), имеющие одинаковое поле зрения ~ 1 В сумме два эти инструмента позволяют проводить одновременную спектроскопию и временной анализ излучения рентгеновских источников в диапазоне энергий 2−200 кэВ. Третьим научным прибором на борту обсерватории является монитор всего неба ASM, сканирующий всю небесную сферу за несколько часов.

Рентгеновский спектрометр РСА.

Спектрометр РСА состоит из пяти идентичных детекторов, каждый из которых имеет свой собственный набор электроники с аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Эффективная суммарная площадь всех детекторов на энергиях 6−7 кэВ составляет ~6400 кв. см, и энергетическое разрешение ~18% на этих энергиях.

Регистрирующая часть детектора состоит из пропанового слоя, который служит в основном для отсеивания фоновых электронов, антисовпадательной защиты для отсеивания фронтально падающих заряженных частиц, и, собственно, главного ксенонового слоя, через который проходит 4 уровня детектирующих анодов. Самый нижний анодный слой также служит в качестве антисовпадательной защиты, а остальные три дают основную научную информацию. При этом каждый из ксеноновых анодных слоев условно подразделяется на правую и левую стороны. В самом низу располагается слабый калибровочный источник рентгеновского излучения Лот241 (им оснащен каждый из пяти детекторов).

Научная информация может быть записана в различных режимах с разным спектральным и временным группированием. В каждом наведении группирование данных происходит в нескольких различных режимах. Кроме набора режимов записи данных, выбранных в соответствие с наблюдательной программой, в результатах всегда присутствуют два стандартных режима: усреднение по времени происходит по 16 с и 0.125 с. Последнее значение хорошо подходит для подробного временного анализа быстро вращающихся рентгеновских пульсаров.

Рис. 5. Схематическое изображение обсерватории RXTE.

Технические характеристики спектрометра РСА:

Параметр Величина.

Энергетический диапазон: 2 — 60 кэВ.

Энергетическое разрешение: < 18% на 6 кэВ.

Временное разрешение: 1 микросекунда.

Пространственное разрешение: коллиматор 1 градус (FWHM).

Детекторы: 5 пропорциональных счетчиков.

Эффективная площадь: ~6400 кв.см.

Чувствительность: 0.1 мКраб.

Фон: 2 мКраб.

Спектрометр жесткого рентгеновского излучения НЕХТЕ.

Спектрометр НЕХТЕ представляет собой систему из двух независимых пакетов из четырех NaI (Tl)/CsI (Na) детекторов «фосвич», качающихся с интервалом 16 сек для наблюдения фоновых площадок на расстоянии 1.5° от источника (рис. 6). Полная собирающая поверхность детекторов составляет ~1600 см2, однако, в каждый конкретный момент времени источник может наблюдаться только одним из двух пакетов детекторовтаким образом эффективная площадь де.

ЮТЕ FIELDS OF VIEW.

Рис. 6. Поле зрения двух пакетов детекторов спектрометра НЕХТЕ при наблюдении источника и фоновых площадок. текторов НЕХТЕ составляет -7Q0 см2.

Для постоянного контроля энергетической привязки и калибровки детекторов над каждым из них установлен индивидуальный источник рентгеновского излучения Am. До отправки полученных научных данных в поток телеметрии они проходят первичную обработку на борту спутника.

Краткие технические характеристики спектрометра НЕХТЕ:

Параметр

Величина.

Детекторы Поле зрения.

Энергетический диапазон Энергетическое разрешение Временное разрешение Эффективная площадь Эффективная экспозиция Скорость счета от Крабов иди ой Туманности (12−250 кэВ) Детекторный фон (12−250 кэВ) Калибровочный источник Вариации привязки энергии Поток телеметрии.

2x4 NaI (Tl)/CsI (Na) сцинтиллятор

1 градус (FWHM).

12−250 кэВ в 256 каналах.

Д?/?ос?~0−8, 15% на 60 кэВ.

7.6 мкс (макс.), 0,98 мс (яркий источник).

700 см² на пакет детекторов.

60% полного времени.

250 отсч. в сек. на пакет детекторов.

90 coimt/s per cluster.

Атт (линии на 17 и 60 кэВ).

1%.

5 кбит/с (среднее по орбите).

Монитор всего неба ASM.

Монитор всего неба ASM обсерватории RXTE состоит из трех сканирующих камер, установленных на вращающемся основании (рис. 7). Каждая из таких камер представляет из себя позиционно чувствительный пропорциональный счет.

ALL-SKY MONITOR.

ASSEMBLY.

3 Shadow Cameras).

12° toe out.

Рис. 7. Схематическое изображение монитора всего неба ASM. чик с кодирующей маской, обладающий полем зрения 6°х90°. Камеры заполнены смесью Хе-СОг при давление 1.2 атм., чувствительны к фотонам в диапазоне энергий 2−10 кэВ. Угловое разрешение в направлении 6° составляет 10 угловых минут. Две из трех камер просматривают небо перпендикулярно оси вращения монитора, один — параллельно. Область ошибок локализации составляет ~0.2° на ~1° для слабых источников и ~ 3' на ~ 15' для ярких источников, соответственно.

Монитор покрывает ~ 80% неба каждые ~ 90 минут и является незаменимым источником информации об активизации транзиентных источников и других переменных во времени событияха также может использоваться для исследования ярких рентгеновских источников на больших масштабах времени. Наведение спектрометров PC, А и НЕХТЕ на обнаруженный объект занимает несколько часов.

Основные параметры прибора монитора ASM:

Параметр Величина.

Энергетический диапазон: 2 -10 кэВ.

Временное разрешение: 80% неба каждые 90 мин.

Пространственное разрешение: 3' х 15'.

Эффективная площадь: 90 кв. см.

Чувствительность: 30 мКраб.

Для временного и спектрального анализ данных обсерватории RXTE использовался стандартный набор программ пакета FTOOLS/LHEASOFT (http://heasarc.gsfc.nasa.gov/ftools/).

Основные выводы и результаты диссертационной работы.

1. Впервые подробно исследовано изменение циклотронной частоты со светимостью и показано, что для пульсара V0332+53 она растет линейно с уменьшением светимости так же, как и высота ударной волны в аккреционной колонке. Получены оценки величины магнитного поля на поверхности нейтронной звезды и высоты ударной волны в аккрецируемой плазме. Относительное изменение энергии центра линии составляет около ~ 25%. В приближении дипольного поля нейтронной звезды это соответствует относительному изменению высоты И, на которой формируется данная особенность, ~ 7.5% или ~ 750 м. Кроме того, впервые показано, что и вторая гармоника циклотронной частоты ведет себя подобным образом.

2. Показано, что для пульсара 4U0115+63 величина циклотронной частоты также зависит от светимости, однако, эта зависимость имеет более сложную морфологию и не может быть объяснена линейным изменением высоты ударной волны в аккреционной колонке от темпа аккреции в широком диапазоне свети-мостей.

3. Обнаружены значительные изменения формы профиля импульса в зависимости от светимости и энергетического диапазона для пульсаров V0332+53 (особенно в районе циклотронной частоты), KS1947+300 и 4U0115+63.

4. Основываясь на модели замашиченной нейтронной звезды, апробирован метод исследования свойств пульсара по изменению темпа его ускорения/замедления во время вспышек. Используя данный метод, получены оценки величины магнитного поля пульсара KS1947+300 и расстояния до двойной системы.

5. Используя данные обсерватории ГРАНАТ показано, что вариации кривой блеска и спектра пульсара GX 301−2 могут быть объяснены пеодпородностями в звездном ветре размером ~ 10/?©, плотность которых примерно в 50 раз выше средней плотности звездного ветра в экваториальной плоскости звезд Be класса.

6. Показано, что в системе SMC Х-1 помимо периодичностей, связанных с собственным вращением нейтронной звезды и орбитальным движением, присутствует еще одна, близкая к периодической, составляющая, возможно связанная с прецессией аккреционного диска. По величине прецессионного периода (Рртс ~ 61 день), измеренного по данным телескопа АРТ-П, получены оценки угла наклона аккреционного диска относительно орбитальной плоскости 5 ~ 25 — 58°.

7. Используя данные долговременных наблюдений (~ 8.5 лет) рентгеновского пульсара LMC Х-4 монитором всего неба обсерватории RXTE и данные обсерватории ИНТЕГРАЛ, измерено среднее значение периода прецессии аккреционного диска и показано, что оно не является постоянным.

8. Получен наиболее полный на сегодняшний день каталог широкополосных (3−100 кэВ) спектров 35 аккрецирующих рентгеновских и одного миллисе-кундного пульсаров, полученных по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ. Впервые получены спектры малоизученных аккрецирующих пульсаров, А 0114+650, RX J0146.9+6121, АХ J1820.5−1434 и АХ J1841.0−0535 в жестком рентгеновском диапазоне энергий (> 20 кэВ). Проанализирована эволюция спектральных параметров в зависимости от интенсивности источников.

Заключение

.