Содержание
0 Введение 4
0.1 Актуальность темы диссертации........................................ 4
0.2 Цели работы.......................................................... 5
0.3 Новизна работы....................................................... G
0.4 Достоверность полученных результатов ................................ б
0.5 Положения, выносимые на защиту ...................................... 7
1 Гамма-обсерватория INTEGRAL 8
1.1 Телескопы обсерватории INTEGRAL...................................... 8
1.2 Особенности наблюдений на обсерватории INTEGRAL
на примере остатка сверхновой 1C 443 .............................. 12
1.2.1 Наблюдения 1C 443 камерой INTEGRAL ISGRI ................. 14
1.2.2 Наблюдения 1C 443 монитором INTEGRAL JEM-X ................... 16
1.2.3 Выводы.................................................. 17
2 Жёсткий источник в поле остатка сверхновой 7-Cygni 18
2.1 Наблюдения 7-Cygni камерой INTEGRAL ISGRI........................... 19
2.2 Наблюдения 7-Cygni на обсерваториях ASCA и RXTE .....................22
^ 2.3 Анализ многоволиовых данных о 7-Cygni ...............................24
2.4 Дополнительные данные о северо-западной части 7-Cygni, полученные
камерой INTEGRAL ISGRI ..............................................28
2.5 Наблюдения северо-западной части 7-Cygni телескопом Swift XRT ... 28
2.6 Архивные оптические и радиоданпые о северо-западной части 7-Cygni 31
2.7 Анализ и интерпретация многоволиовых данных о жестком источнике
в северо-западной части 7-Cygni .................................... 33
2.8 Выводы........................................................ 37
3 Жёсткий источник в поле
активной области звездообразования NGC 6334 39
3.1 Наблюдения NGC 6334 камерой INTEGRAL ISGRI ..........................40
3.2 Наблюдения NGC 6334 монитором JEM-X . ..............................43
3.3 Наблюдения NGC 6334 камерой Chandra ACIS.............................44
3.4 Анализ и интерпретация многоволиовых данных об NGC 6334 ..... 45
3.5 Выводы...............................................................56
4 Аккреция на замагниченную нейтронную звезду 57
4.1 Краткий обзор моделей аккреции на нейтронную звезду..................58
4.1.1 Модель Шапиро и Солиитсра......................................59
4.1.2 Модель Лангсра и Раппопорта....................................60
щ 4.1.3 Модели Ароиса и Клейна........................................ 60
4.2 Суб-эддиигтоновская аккреция.........................................61
2
4.2.1 Основные предположения и допущения............................62
4.2.2 Основные параметры и уравнения................................62
4.2.3 Физические процессы в аккреционной колонке ...................64
4.2.4 Методика моделирования....................................... 68
4.2.5 Основные результаты моделирования............................ 70
4.2.6 Разрушение ядер С, N, О в аккреционном потоке................ 78
4.2.7 Выводы........................................................80
5 Заключение 81
5.1 Основные результаты работы ......................................... 81
5.2 Список публикаций, содержащих описание
основных результатов диссертации ................................... 83
5.3 Список цитированной литературы.......................................85
А Приложения 92
А.1 Используемые сокращения............................................. 92
А.2 Вычисление скорости обмена энергией в электронно-ионных столкновениях с возбуждением электронных
уровней Ландау в сильном магнитном поле............................. 92
А.З Список проанализированных экспозиций области 7-Cygni
в полностью кодируемом поле камеры ISGRI............................ 96
А.4 Список проанализированных экспозиций области 1C 443
в поле камеры ISGRI................................................. 96
А.4.1 Экспозиции с источником Crab в поле зрения ISGRI ..............96
А.4.2 Экспозиции с источником Crab вне поля зрения ISGRI 98
А.5 Список проанализированных экспозиций области 1C 443
в полностью кодируемом иоле монитора JEM-X ......................... 98
А.6 Список проанализированных экспозиций области NGC 6331
в полностью кодируемом поле камеры ISGRI............................ 99
А.7 Список проанализированных экспозиций области NGC 6334
в полностью кодируемом поле монитора JEM-X .........................100
3
О Введение
Последняя четверть прошлого века и начало века нынешнего ознаменованы стремительным прогрессом рентгеновской и гамма-астрономии. Земная атмосфера непрозрачна для рентгеновского и гамма-излучения, и прогресс в наблюдениях связан, в частности, с прогрессом космической техники, в настоящее время позволяющей с высокой точностью выводить на околоземную орбиту телескопы весом в десятки тонн, а также с прогрессом электронно-вычислительной техники, позволяющей в реальном времени передавать на Землю и обрабатывать многомерные массивы данных размером в десятки гигабайт.
В наши дни многочисленные орбитальные телескопы строят детальные карты неба как в мягком, так и в жестком рентгеновском диапазоне, что позволяет изучать спектральные и временные характеристики излучения различных типов источников на масштабах от отдельных вырожденных звезд до скоплений галактик.
Возрастающий объем и детальность наблюдательной информации требуют построения количественных моделей источников жесткого излучения, а результаты моделирования зачастую требуют переосмысления уже некогда проинтерпретированных наблюдательных данных и стимулируют поиск новых свойств у уже изученных объектов.
Источниками жесткого излучения в континууме и в линиях могут быть как точечные (вырожденные звезды, активные ядра галактик), так и протяженные объекты (скопления галактик, скопления молодых звезд, остатки сверхновых звезд, взаимодействующие с межзвёздной средой).
0.1 Актуальность темы диссертации
Жёсткие сильно поглощенные рентгеновские источники - это важный класс источников, наблюдательное изучение которых стало возможно только сейчас, с появлением телескопов, способных строить изображения в диапазоне энергий выше 10-15 кэВ. Характерной чертой этих источников является мощное энерговыделение при падении (аккреции) вещества на гравитирующий компактный объект: белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру (включая сверхмассивпыс черные дыры в ядрах галактик).
Изучение физических процессов в аккреционных источниках представляет важную проблему, поскольку но эффективности выделения энергии они намного превосходят иные известные источники энерговыдслсиия и, в частности, термоядерные источники энергии в звёздах. Аккреционные источники являются яркими объектами во всех наблюдаемых диапазонах спектра. Наблюдение таких источников в различных спектральных диапазонах (прежде всего, в рентгеновском и гамма-диапазонах), а также их теоретическое моделирование, является исключительно важным, посколь-
ку позволяет судить о свойствах вещества и физических процессах внутри и в окрестности компактных объектов. Физические процессы в этих источниках происходят в экстремальных условиях, недостижимых в земных лабораториях: в сильных гравитационных полях, сильных (до Ю10 - 10» Гс) магнитных полях, при высоких температурах и плотностях.
Изучение аккреционных источников в галактических компактных объектах позволяет делать выводы об эволюции звездного населения Галактики, а изучение внегалактических аккреционных источников в ядрах галактик позволяет накладывать существенные ограничения на параметры современных космологических моделей.
0.2 Цели работы
Целыо диссертации является изучение аккреционных источников излучения посредством теоретического и численного моделирования и с помощью наблюдений на современных орбитальных и наземных телескопах в различных диапазонах электромагнитного спектра.
Конкретно, целями диссертации являются:
1. Исследование источников жесткого нетеплового рентгеновского излучения в ноле остатков сверхновых 7-Cygni и 1C 443 (которые ассоциируются с гамма-источниками, обнаруженными камерой CGRO EGRET) путем их наблюдения в рентгеновском диапазоне и анализа многоволновых архивных данных.
2. Исследование источника жесткого нетеплового рентгеновского излучения, возможно, связанного с ускорением частиц при взаимодействии мощных ветров массивных молодых звезд в активной области звездообразования NGC G334, путем наблюдения в рентгеновском диапазоне и анализа многоволновых архивных данных.
3. Исследование физических процессов в аккреционной колонке вблизи поверхности замагниченной нейтронной звезды. Построение численной модели аккреционной колонки и изучение динамики аккреционного потока и формирования ударною фронта в аккреционной колонке над поверхностью звезды. Поиск режимов аккреции, позволяющих ядрам С, N, О достигать поверхности нейтронной звезды без разрушения в реакциях скалывания.
0.3
Новизна работы
1. Впервые построены изображения поля остатка сверхновой 7-Cygni в жёстких диапазонах от 20 до 80 кэВ и изучена его пространственная структура. В северо-западной части 7-Cygni обнаружен и локализован с точностью до 4" новый точечный источник рентгеновского излучения IGR J2018+4043, вероятно, являющийся активным ядром ранее неизвестной галактики, проецирующейся на поле 7-Cygni. Этот источник может быть ассоциирован с мощным псогождеств-лепным гамма-источником 3EG J2020+4017.
2. В активной области звездообразования NGC 6334 в диапазоне до 80 кэВ обнаружен новый жёсткий рентгеновский источник, вероятно, являющийся активным ядром ранее неизвестной галактики, проецирующейся на иоле NGC 6334.
3. Впервые построена численная модель нестационарной суб-эддингтоновской колонковой аккреции на замагничениую нейтронную звезду. В рамках этой модели впервые изучена динамика <1юрмирования и эволюция бесстолкновительной ударной волны в аккреционной колонке вблизи поверхности звезды. Найдены режимы аккреции, при которых ядра С, N, О в падающем потоке могут достигать поверхности звезды без разрушения в реакциях скалывания.
0.4 Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов, полученных путём обработки и анализа данных наблюдений космических и наземных телескопов, подтверждается использованием методов обработки наблюдательных данных, разработаиых и применяемых в ведущих обсерваториях мира, кросс-калибровкам и между различными приборами, а также сотрудничеством с разработчиками и создателями используемых телескопов.
Достоверность результатов, полученных аналитически и численным моделированием, подтверждастся использованием общепризнанных математических и численных методов в рамках физических приближений, применимость которых ограничена четко сформулированными критериями. Метод Годунова, использованный при моделировании аккреционного потока, имеет надёжное математическое обоснование и используется в газодинамических расчётах уже более сорока лет. Скорости основных физических процессов в аккреционном потоке вычислены на основе сечений этих процессов, рассчитанных методами квантовой электродинамики. Там, где это возможно, результаты численных расистов сверены с теоретическими формулами, полученными в различных предельных случаях.
G
0.5 Положения, выносимые на защиту
1. Построение нестационарной модели суб-эддингтоновской аккреции на замаг-ниченную нейтронную звезду. Изучение динамики формирования и эволюции ударной волны в аккреционной колонке вблизи поверхности звезды. Демонстрация возможности эффективной трансформации кинетической энергии аккреционного потока в циклотронное излучение. Определение режимов аккреции, при которых значительная доля падающего вещества может достигать поверхности звезды без разрушения в реакциях скалывания.
2. Получение изображений поля остатка сверхновой 7-Cygni в жестких рентгеновских диапазонах от 20 до 80 кэВ и построение мозаичных карт остатка с размером ячейки около 5'. Обнаружение и локализация с точностью до 4" жёсткого источника IGR J2018+4043, возможно, связанного с неотождествлённым гамма-источником 3EG J2020+4017. Интерпретация источника IGR J2018+4043 как аккрецирующего активного ядра галактики с космологическим красным смещением г < 0.1. Обнаружение протяженного источника нетеплового оптического и радиоизлучения в области взаимодействия остатка т-Cygni с ветром
% массивной молодой звезды HD 193322.
3. Обнаружение и исследование структуры жёсткого рентгеновского излучения активной области звездообразования NGC 6334 в диапазоне от 0.5 до 80 кэВ. Вывод о том, что вероятными источниками наблюдаемого жесткого излучения являются а) сильно поглощенный внегалактический радиоисточник NGC 6334В, ассоциируемый с аккрецирующим активным ядром галактики, и б) диффузный источник NGC 6334А, связанный с излучением энергичных электронов в области столкновения ветров массивных звезд ранних спектральных классов.
7
1 Гамма-обсерватория INTEGRAL
1.1 Телескопы обсерватории INTEGRAL
Гамма-обссрватория INTEGRAL (Winkler ct al. 2003) введена в строй в октябре 2002 года. Эта обсерватория состоит из трёх приборов, наблюдающих небо в жестких диапазонах or 3 кэВ до 10 МэВ: спектрометра SPI, камеры IBIS, имеющей низкоэнергичпый (ISGRI) и высокоэпсргичный (PICsIT) детекторы, и рентгеновского монитора JEM-X.
Фокусировка излучения при энергиях выше 10 кэВ представляет значительную техническую проблему, которая до настоящего времени не имеет практически апробированного решении. Альтернативой фокусировке пучка является использование кодирующих масок, позволяющих строить изображения источников, наблюдаемых в поле зрения, по распределению теней от маски в плоскости детектора. Все рентгеновские приборы обсерватории INTEGRAL оснащены кодирующими масками, что позволяет добиться относительно хорошего пространственного разрешения, но приводит к трудностям при восстановлении изображений по распределению теней на детекторах и оценке пространственного распределения фонов. Использование кодирующей маски приводит, в частности, к тому, что восстановленное изображение точеченого источника в значительной степени ислокализовано и содержит ряд вторичных пиков (фальшивых источников) на значительном расстоянии от основного ника, соответствующего реальному положению наблюдаемого источника. Пример восстановлсного изображения точечного источника, находящегося на оси камеры INTEGRAL ISGRI, приведён на рис. 2.
Кроме того, для дополнительного увеличения поля зрения камеры INTEGRAL ISGRI, только часть поля зрения кодируется полностью, а процедура восстановления потоков излучения от источников, находящихся в частично кодируемом иоле зрения, имеет большие неопределенности. Кодирующая маска камеры INTEGRAL ISGRI изображена на рис. 3.
На обсерватории INTEGRAL также имеется вспомогательная оптическая камера ОМС. Все приборы обсерватории ориентированы в одном направлении.
Основные номинальные характеристики рентгеновских и гамма-дстекторов INTEGRAL приведены в таблице 1.
Для уменьшения систематических эффектов, связанных с фоном спектрометра SPI и камеры IBIS, наблюдение заданного точечного объекта, как правило, состоит из последовательности коротких (около 2 тыс. секунд) точечных экспозиций (далее - КТЭ), в англоязычной литературе называемых science windows (SCWs), во время которой ось обсерватории то совпадает с направлением на объект, то смещена относительно положения объекта в различных направлениях на расстояния от 2.0
8
- Київ+380960830922