II.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Фундаментальные и прикладные научные исследования в
области астрофизики и радиоастрономии
Тема ВСЕЛЕННАЯ. Исследования в области астрофизики высоких энергий, теоретической
физики и наблюдательной космологии.
Гос. регистрация ? 0120.0 602990
Научный руководитель академик
Р.А. Сюняев
Расчет спектров
излучения космологической рекомбинации с учетом двухфотонных процессов.
Рассчитан
спектр излучения космологической рекомбинации с учетом двухфотонных каскадных
процессов. Прогресс современных компьютеров позволил впервые выполнить точные
расчеты этого процесса и реализовать идеи, высказанные в пионерских работах
Зельдовича, Сюняева и Дубровича. Сегодня несколько групп обдумывают постановку
экспериментов по исследованию возникающих линий в спектре реликтового
излучения.
Примерно
через 260 тыс. лет после Большого взрыва космическая плазма остыла до такой
степени, что стало возможным существование нейтральных атомов водорода. К тому
времени температура изотропного чернотельного реликтового излучения Вселенную
опустилась до 3800 град К. Процесс рекомбинации связан с испусканием нескольких
фотонов при переходе электронов с верхних уровней атома водорода на основной.
Уже в течение 40 лет известно, что физика космологической рекомбинации очень необычна. Это во-первых связано с тем,
что в медленно расширяющейся Вселенной выход фотонов из резонансного перехода
Лайман-альфа оказывается затруднен, благодаря чему сильно возрастает роль
двухфотонного распада метастабильного уровня 2s. Во-вторых, из-за огромного
преобладания фотонов над протонами заселенность уровней атома водорода
полностью определяется скоростями излучательных процессов.
В
данной работе были впервые выполнены детальные вычисления спектра рекомбинационного
излучения, возникающего при всех возможных переходах с уровней атома водорода
вплоть до 100-го, с учетом таких процессов (в дополнение к основным), как
вынужденный двухфотонный распад уровня 2s атома водорода, двухфотонный распад
высоковозбужденных уровней и другие.
Из-за
расширения Вселенной рекомбинационное излучение смещается в красную сторону
спектра более чем в 1000 раз, в результате чего фотоны, испущенные в
ультрафиолетовом диапазоне приходят к
нам уже в субмиллиметровом диапазоне спектра. В результате переходов между
высоковозбужденными уровнями к нам должны приходить и фотоны в радиодиапазоне,
там где экспериментальные установки для наблюдения реликтового фона уже
достигли потрясающей чувствительности. В
настоящее время разрабатываются телескопы, которые позволят фиксировать
флуктуации микроволнового фона на уровне 10 нК. Такая чувствительность
достаточна для измерения связанных с рекомбинации спектральных искажений фона,
ожидаемая амплитуда которых составляет 50-100 нК. Такие измерения позволят
точно измерить температуру микроволнового фона и энтропию Вселенной, а также
восстановить в подробностях картину того, как Вселенная становилась прозрачной.
Кроме
того, были рассчитаны релятивисткие поправки к темпу двойного комптоновского рассеяния,
связанные с высокой температурой плазмы. Оценено их влияние на процесс
термолизации спектральных искажений мю-типа реликтового фона, возникающих в
дорекомбинационную эпоху Вселенной. Показано, что релятивистские эффекты
оказывают влияние на уровне нескольких процентов и, возможно, потребуют учета
при интерпретации данных наблюдений будущих экспериментов.
Рис.
1. Спектр рекомбинации водорода - 5 фотонов на один рекомбинирующий электрон.
Рис.
2. Спектр рекомбинации водорода в относительных единицах. На врезке показана
квазипериодическая структура сигнала в сантиметровом и дециметровом диапазоне.
Результаты опубликованы в статьях:
1. Induced two-photon decay of the 2s level and the
rate of cosmological hydrogen
recombination Chluba, J.; Sunyaev, R. A. Astronomy and Astrophysics, Volume
446, Issue 1, January IV 2006, pp.39-42
2. Cosmological hydrogen recombination: populations of
the high-level substates Chluba, J.;
Rubino-Martín, J. A.; Sunyaev, R. A. Monthly Notices of the Royal
Astronomical Society, Volume 374, Issue 4, pp. 1310-1320, /2007
3. Lines in the cosmic microwave background spectrum
from the epoch of cosmological hydrogen
recombination Rubino-Martín, J. A.; Chluba, J.; Sunyaev, R. A. Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 371, Issue 4, pp. 1939-1952. 2006
4. Free-bound emission from cosmological hydrogen
recombination Chluba, J.; Sunyaev, R. A.
Astronomy and Astrophysics, Volume 458, Issue 2, November I 2006,
pp.L29-L32
5. Cosmological hydrogen recombination: Lyn line
feedback and continuum escape Chluba, J.; Sunyaev, R. A. Astronomy and
Astrophysics, Volume 475, Issue 1, November III 2007, pp.109-114
6. Two-photon transitions in hydrogen and cosmological
recombination Chluba, J.; Sunyaev, R. A. preprint arXiv:0705.3033
05/2007
7. Lines in the cosmic microwave background spectrum
from the epoch of cosmological helium
recombination Rubino-Martin, J. A.; Chluba, J.; Sunyaev, R. A. preprint
arXiv:0711.0594
8. The Richness and Beauty of the Physics of Cosmological
Recombination Sunyaev, R. A.; Chluba, J.
preprint arXiv:0710.2879
9. The double
Авторы:
Хлуба Е., Сюняев Р.А., Сазонов С.Ю., Рубино-Мартин Ж..
Приливное взаимодействие
звезд и формирование рентгеновских двойных в центрах спиральных галактик
Плотность
звезд в центральных областях спиральных галактик может достигать 103-104
пк-3. При таких плотностях высока вероятность сближения звезд и
релятивистских объектов (нейтронных звезд и черных дыр) на расстояния порядка
нескольких звездных радиусов и формирования ярких рентгеновских источников -
рентгеновских двойных. Главным механизмом является приливной захват нормальных
звезд черными дырами или нейтронными звездами. Также играют роль столкновения
компактных объектов с красными гигантами и реакции замещения одной из звезд в
двойной системе компактным объектом (аналогичные реакциям перезарядки в атомной
физике). В типичной спиральной галактике за 1 млрд. лет образуется около
~50-100 рентгеновских двойных, большинство из которых являются системами с
черными дырами, в силу сильной зависимости сечения приливного захвата от массы
компактного объекта. Из-за малого орбитального размера, образующиеся
системы становятся яркими источниками рентгеновского излучения, со светимостями
>1037 эрг/с. Очевидно, что темп их формирования пропорционален
квадрату звездной плотности. С другой стороны, число "обычных"
двойных, сформированных в ходе стандартной звездной эволюции линейно
пропорционально плотности звезд.
На
основе анализа данных наблюдений галактики Андромеда обсерваторией Chandra
обнаружено значительное повышение удельного числа (на единицу звездной массы)
рентгеновских двойных в центре этой галактики по сравнению с ее внешними
областями (Рис. 3). В то время как во внешних областях галактики число
рентгеновских двойных следует распределению
звездной массы, вблизи центра галактики их плотность растет
пропорционально квадрату звездной плотности. Это является прямым подтверждением
динамического происхождения этих источников. Также наблюдается необычное
распределение их рентгеновской светимости, характеризующееся дефицитом слабых
объектов, log(LX)<36.5. Такая же функция светимости наблюдается у
двойных, расположенных в шаровых скоплениях в Андромеде и в нашей Галактике.
Это радикально отличается от функции светимости источников в поле,
образовавшихся в ходе стандартной звездной эволюции. Построена
количественная теория динамического формирования рентгеновских двойных в
центрах галактик и в шаровых скоплениях (Рис. 4). Показано, что предсказания
теории хорошо согласуются с результатами наблюдений Chandra нашей Галактики
и галактики Андромеда.
Рис. 3.
Плотность рентгеновских источников в зависимости от расстояния до центра
галактики Андромеда по данным наблюдений спутника Chandra. Сплошные линии,
помеченные ρ* и ρ*2, показывают
распределение звездной плотности и ее квадрата (проинтегрированные вдоль луча
зрения). Большая часть рентгеновских источников в пределах ~40'' от центра
галактики образованы в результате приливного захвата маломассивных звезд
черными дырами звездной массы.
Рис.
4. Зависимость частоты взаимодействий γ от дисперсии скоростей звезд
ν0. Вертикальные пунктирные линии показывают значения v0
для типичного шарового скопления (~25 км/с) и вблизи центра галактики Андромеда
(~ 250 км/с). Для параметров последней
приведенные частоты соответствуют ~100-150 столкновениям, приводящим к
образованию яркого рентгеновского источника, за миллиард лет.
Результат опубликован в статьях:
R.Voss,
M.Gilfanov, ``A study of the population of LMXBs in the bulge of M31'', Astronomy
& Astrophysics, 468, 49 (2007)
R.Voss, & M.Gilfanov, ``The dynamical formation of
LMXBs in dense stellar environments:
globular clusters and the inner bulge of M31'',MNRAS, 380, 1685 (2007)
Авторы:
Гильфанов М.Р., Восс Р.
Рентгеновские двойные,
история звездообразования и спиральная структура галактик
Массивные
рентгеновские двойные - молодые объекты, тесно связанные с процессом
звездообразования. Действительно, наблюдения обсерваторий Chandra и XMM-Newton
обнаружили линейную связь между их числом и современным темпом звездообразования
в галактиках. Однако при более детальном рассмотрении с точки зрения
теории эволюции двойных систем становится очевидным, что популяция
массивных рентгеновских двойных должна зависеть не только от его сегодняшнего
значения, но и от истории звездообразования в галактике за предыдущие
~10-100 млн. лет.
Ближайшие соседи нашей Галактики -
Магеллановы Облака представляют уникальную возможность подробно исследовать эту
проблему, определив зависимость числа двойных от времени, прошедшего с
момента звездообразования. С этой целью на основе оптических наблюдений
Малого Магелланова Облака была построена
пространственно-разрешенная история
звездообразования в этой галактике за предыдущие 100 млн.лет. Сравнение
с пространственным распределением массивных рентгеновских двойных, полученным из
наблюдений обсерватории XMM-Newton, позволило определить искомую
зависимость (Рис.5). Оказалось, что популяция массивных рентгеновских двойных
достигает своего максимума через ~20-50 млн. лет после вспышки
звездообразования, затем быстро уменьшается. С другой стороны, число
объектов моложе 10 млн. лет также невелико, что указывает на относительно малый
вклад систем с черными дырами и с
донорами-сверхгигантами. Полученная зависимость не только открывает широкие возможности для проверки и калибровки
теории эволюции двойных систем но и позволяет более точно обосновать
возможность использования массивных рентгеновских двойных в качестве индикатора
звездообразования в галактиках. Она также позволяет предсказать ряд интересных
эффектов, поддающихся прямой экспериментальной проверке.
Одно из таких предсказаний касается
особенностей проявления спиральной структуры галактик в рентгеновском
диапазоне. Конечное время жизни
массивных рентгеновских двойных приводит к их смещению относительно
спиральной структуры, наблюдаемой в классических индикаторах звездообразования,
таких как Hα-линия водорода. Построена кинематическая модель, описывающая
этот процесс и показано, что он будет проявляться по-разному для систем разной светимости и с разной
природой компактного объекта и оптического компаньона. Этот эффект может
также быть использован для исследования кинематики спиральной структуры,
в частности для определения ее точки коротации. Предсказания модели
сравниваются с результатами наблюдений галактики М51 обсерваторией
Chandra (Рис.6). Также предсказано распределение массивных рентгеновских
двойных по галактической долготе в нашей Галактике, позволяющее объяснить
результаты наблюдений обсерватории ИНТЕГРАЛ.
Рис. 5. Зависимость
числа массивных рентгеновских двойных от времени, прошедшего с момента
звездообразования, полученная по данным рентгеновских (XMM-Newton) и оптических
наблюдений Малого Магелланова Облака. Сплошной линией показано поведение темпа
вспышек Сверхновых второго типа, вертикальными штриховыми линиями отмечены
моменты образования первой черной дыры (~3 млн.лет) и последней нейтронной
звезды (~40 млн.лет)
Рис.6.
Распределение расстояний до ближайшего спирального рукава для массивных
рентгеновских двойных (``HMXB'') и областей ионизованного водорода (``HII'').
Правое крыло ассиметричного распределения двойных ориентировано в направлении
``downstream'' и связано с конечным временем их эволюции.
Результаты
опубликованы в статьях:
1. П.Штыковский и М.Гильфанов, ``Массивные
рентгеновские двойные и недавняя история звездообразования в Малом Магеллановом
Облаке'', Письма в АЖ, 2007, т.33, N7,
с.492
2. П.Штыковский и М.Гильфанов, ``Массивные
рентгеновские двойные и спиральная структура родительской галактики'',
Письма в АЖ, 2007, т.33, N5, с.340
Авторы:
Штыковский П.Е., Гильфанов М.Р.
Рентгеновский
обзор скоплений галактик площадью 400 кв. градусов: каталог и статистическая
калибровка.
Составлен каталог скоплений
галактик, которые были обнаружены в новом обзоре, основанном на данных
наведений телескопа РОСАТ. Обзор оптимизирован для исследования массивных
скоплений (T > 5 кэВ) на высоких красных смещениях. Он
покрывает 397 кв. градусов и основан на 1610 высокоширотных наведениях
телескопа РОСАТ - это практически все данные наведений РОСАТа, пригодные для
поиска далеких скоплений.
Это
самый большой обзор далеких скоплений, который может быть получен, используя
рентгеновские
данные, накопленные к настоящему времени всеми рентгеновскими обсерваториями.
Поисковый объем обзора для скоплений большой рентгеновской светимости на z
< 1 превышает объем всей
местной части Вселенной на z < 0.1
. В обзоре обнаружено 287 протяженных рентгеновских источников с рентгеновскими
потоками f > 1.4 × 10−13 эрг с−1 см−2 в диапазоне 0.5-2 кэВ, из которых 266 (93%)
были отождествлены в оптическом диапазоне как скопления или группы галактик,
или отдельные эллиптические галактики. Обзор хорошо откалиброван статистически
при помощи моделирований методом Монте-Карло. Показано, что подсчеты скоплений
хорошо согласуются с результатами предыдущих обзоров меньшей площади. Наша
выборка статистически достоверно показывает космологическую эволюцию функции
светимости скоплений - плотность числа скоплений наибольшей светимости заметно
уменьшается уже на z > 0.3.
Для
выборки из 40 наиболее далеких и массивных скоплений из нашего каталога были
проведены глубокие наблюдения в ренгеновском диапазоне при помощи телескопа
Чандра. Эти данные позволят получить новые ограничения на уравнение состояния
темной энергии.
Рис.
7: Рентгеновские функции светимости далеких скоплений галактик на z
> 0.3 по данным обзора
400d (точки) и скоплений в местной части Вселенной по данным каталогов на
основе обзора всего неба РОСАТа (широкая полоса). Хорошо видна космологическая
эволюция функции светимости скоплений.
опубликовано
в:
Burenin R. A., Vikhlinin A., Hornstrup A., Ebeling H., Quintana H., Mescheryakov A., 'The 400 Square Degree ROSAT PSPC Galaxy Cluster Survey: Catalog and Statistical Calibration', The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 172, Issue 2, pp. 561-582. (2007)
Авторы: Р. А. Буренин, А. А. Вихлинин, А.
Хорнтсруп, Г. Еебелинг, Г. Квинтана, А. В. Мещеряков
Исследования
физики газа в скоплениях галактик
Для того
чтобы улучшить надежность измерений различных рентгеновских характеристик
скоплений галактик, были смоделированы наблюдения телескопом Чандра выборки
скоплений, полученных в численных моделированиях с учетом физики горячего газа.
Показано, что трехмерные профили температуры и плотности восстанавливаются
очень хорошо для установившихся скоплений и даже с вполне достаточной точностью
для возмущенных систем. Полная масса газа измеряется довольно точно для всех
скоплений, тогда как гидростатические оценки полной гравитационной массы оказываются
смещенными в меньшую сторону на 5-20%. Соответственно, оказываются смещенными
оценки доли барионов в скоплении. Проведено также исследование того, какие
следствия это имеет для космологических измерений, основанных на скоплениях
галактик. Исследовано влияние охлаждения газа скоплений и звездообразования на
характеристики газа скоплений. Показано, что учет звездообразования приводит к
существенно лучшему согласию моделирований с наблюдениями. Однако остается
загадкой различие предсказываемой и наблюдаемой доли барионов в звездах.
Показано, что толщина 'холодного фронта' в газе скопления может быть
использована для оценки эффективной теплопроводности газа.
Публикации:
Nagai D., Vikhlinin A., Kravtsov A. V. 'Testing X-Ray
Measurements of Galaxy Clusters with Cosmological Simulations', The Astrophys.
J., v. 655, p. 98 (2007)
Nagai D., Kravtsov A. V., Vikhlinin A. 'Effects of
Galaxy Formation on Thermodynamics of the Intracluste Medium', The Astrophys.
J., v. 658, p. 1 (2007)
F. Xiang, E. Churazov, K. Dolag, V. Springel and A.
Vikhlinin, 'On the width of cold fronts in clusters of galaxies due to
conduction', MNRAS, v. 379, p. 1325. (2007)
Слияние
наиболее массивных галактик в центре далекого скопления
Среди
скоплений, из каталога 400d, по данным телескопа Спитцер было обнаружено
скопление, в центре которого происходит слияние нескольких массивных галактик
(рис. 8). По-видимому, это самое масштабное слияние галактик, которое
когда-либо удалось наблюдать до сих пор.
Публикации:
Rines K., Finn R., Vikhlinin A., 'An Extremely Massive
Dry Galaxy Merger in a Moderate Redshift Cluster', The Astrophys. J., v. 665,
p. L9 (2007)
Рис. 8: Изображение
сливающихся галактик в центре скопления CL0958+4702
Исследование
скопления A3128
По данным
рентгеновского телескопа XMM-Ньютон, а также по данным телескопа Магеллан, было
проведено подробное исследование близкого скопления A3128. Показано, что один
из двух основных рентгеновских максимумов излучения, на самом деле, принадлежит
далекому скоплению, расположенному на z = 0.44.
Публикации:
Werner N., Churazov E., Finoguenov A., Markevitch M.,
Burenin R., Kaastra J. S., Bohringer H., 'Complex X-ray morphology of Abell
3128: a distant cluster behind a disturbed cluster', Astron. and Astrophys., v.
474, p. 707 (2007)
Короны вокруг
нейтронных звезд и миллисекундные пульсации рентгеновского излучения от
маломассивных рентгеновских двойных.
Теория
эволюции двойных звездных систем предсказывает, что нейтронные звезды в
маломассивных рентгеновских двойных вращаются с периодом ~несколько
миллисекунд. Взаимодействие аккреционного потока с магнитным полем вблизи
поверхности нейтронной звезды должно приводить к появлению когерентных
миллисекундных пульсаций рентгеновского излучения. Однако, несмотря на
многочисленные попытки, такие пульсации
от подавляющего большинства рентгеновских двойных до сих пор не обнаружены.
Одним из наиболее популярных объяснений этому является "замывание"
пульсаций в результате Комптоновских рассеяний в гипотетической короне вокруг нейтронной звезды. Ученые ИКИ РАН и
Университета Сабанчи (Sabanchi University, Istanbul, Turkey)продемонстрировали,
что одновременно с подавлением
пульсирующего сигнала рассеяния фотонов в такой короне приведут в появлению
жесткой компоненты Комптонизированного излучения в спектре источника. Они
проанализировали данные наблюдений ряда ярких маломассивных рентгеновских
двойных в нашей Галактике обсерваторией Rossi X-ray Timing Explorer и показали,
что результаты этих наблюдений накладывают жесткие ограничения на оптическую
толщу горячего газа вблизи нейтронной звезды, независимо от его происхождения.
Эти ограничения несовместимы с предположением о том, что горячая корона вблизи
нейтронной звезды ответственна за исчезновение когерентных миллисекундных
пульсаций рентгеновского излучения в маломассивных рентгеновских двойных.
E.Gogus, A.Alpar & M.Gilfanov: "Is the lack
of pulsations in low-mass X-ray binaries due to Comptonizing corona?" The Astrophysical Journal, 659, 580, 2007
Спектры мощности
черных дыр и нейтронных звезд, как средство проверки гидродинамической
структуры рентгеновского источника.
Разработана
теория формирования спектров мощности (континуума) рентгеновского излучения
аккреционных дисков. Показано, что спектр мощности имеет характерную форму
'красно-белый шум', причем частота перехода между красным и белым шумом
соответствует вязкому времени системы, а наклон 'красной' части спектра
мощности определяется видом зависимости вязкости аккреционного диска от
радиуса. Рассмотрены приложения теории к наблюдениям двух рентгеновских
источников: двойной системы с черной дырой -
Лебедь Х-1 и двойной системы с нейтронной звездой - Лебедь Х-2.
Статья: Lev Titarchuk, Nikolai Shaposhnikov and
Vadim Arefiev, Power Spectra Of Black Holes And Neutron Stars As A Probe Of
Hydrodynamic Structure Of The Source: Diffusion Theory And Its Application To
Cygnus X-1 And Cygnus X-2 X-Ray Observations, Astrophysical Journal, 660:556-579, 2007 May 1,
Авторы: Титарчук Л., Шапошников Н, Арефьев В.
О возможности
наблюдения эффекта Шапиро для пульсаров в шаровых скоплениях
Для пульсаров, расположенных в шаровых звездных
скоплениях, предлагается использовать наблюдения релятивистской временной
задержки их излучения в гравитационном поле массивного тела (эффект Шапиро),
расположенного близко к лучу зрения, для обнаружения невидимых компактных
объектов и их идентификации, а также для изучения распределения как видимого
так и невидимого вещества в шаровых
скоплениях и разных компонентах Галактики. Получены зависимости вероятности
событий от галактической широты и долготы источников для двух моделей
распределения вещества в Галактике: ''классической'' модели Баккала и Сонейры
(Баккал, Сонейры 1980; Баккал 1986) и более современной модели Денена и Бинни
(1998). На примере трех шаровых скоплений (M15, 47 Tuc, Terzan 5) показано, что
отношения вероятности событий, обусловленных близкими к лучу зрения пролетами
массивных объектов Галактики, к параметру f2 для пульсаров в шаровых
скоплениях 47 Tuc и M15 сравнимы со значениями данной величины при близких
пролетах массивных объектов самих скоплений, и значительно выше в случае
скопления Terzan 5. Получены оценки частоты таких событий. Определено число
объектов вблизи луча зрения в направлении на пульсар, которые могут вызывать
характерную для рассматриваемого эффекта модуляцию его МПИ, при этом впервые
была учтена популяция коричневых карликов в диске Галактики, концентрация
которых сравнима с концентрацией звезд диска.
Письма в Астрономический журнал, 2007,
Т.33, ?7, С.513-527
Авторы: Т.И.Ларченкова (АКЦ ФИ РАН), Лутовинов А.А. (ИКИ РАН)
Тема ИНТЕГРАЛ Организация и функционирование
Российского Центра Научных Данных проекта ИНТЕГРАЛ. Гос.
регистрация ? 01.20.03 03420
Научный
руководитель д.ф.-м.н. С.А. Гребенев
Статистические свойства
локальной популяции активных галактик и природа космического рентгеновского
фона по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ.
Принято считать, что космический рентгеновский
фон является суммарным излучением миллионов активных ядер галактик (АЯГ) и
поэтому представляет собой уникальную запись истории роста сверхмассивных
черных дыр. Ученые Отдела астрофизики высоких энергий Института космических
исследований РАН выполнили критическую проверку этой гипотезы с помощью
обсерватории ИНТЕГРАЛ. Во-первых, используя российскую квоту наблюдательного
времени обсерватории была построена карта всего неба в диапазоне энергий 17-60
кэВ. В результате были обнаружены и отождествлены более 130 источников в ядрах
близких галактик. На карте распределения АЯГ, зарегистрированных ИНТЕГРАЛом,
четко прослеживается крупномасштабная структура локальной Вселенной, состоящей
из сгущений галактик и пустот с характерными размерами в десятки миллионов
световых лет. Во-вторых, была выполнена уникальная программа наблюдений земного
диска обсерваторией ИНТЕГРАЛ с целью измерения потока рентгеновского фонового
излучения в широком диапазоне энергий 3-150 кэВ. При этом Земля использовалась
как экран, закрывающий от нас излучение далеких источников, составляющих фон. В
итоге было показано. что измеренный поток космического рентгеновского фона и
исследованные статистические свойства локальной популяции АЯГ согласуются с
гипотезой о том, что жесткий рентгеновский фон представляет собой суммарное
излучение АЯГ. Кроме того были получены жесткие ограничения на эволюцию АЯГ
начиная с ранних эпох Вселенной (на красных смещениях z~1.5) по настоящее время
(z=0).
Рис.
9: Карта неба в диапазоне энергий 17-60 кэВ, полученная по данным первых
четырех лет наблюдений обсерватории ИНТЕГРАЛ, на которое наложено изображение
Земли по данным спутника Meteosat. Благодаря тому, что диск Земли экранирует от
нас излучение далеких источников, можно измерить полную интенсивность
космического рентгеновского фона, составленного из множества таких источников.
Рис.
10: Пространственная плотность АЯГ в различных участках неба.
Рис.
11. Сравнение спектра космического рентгеновского фона, измеренного ИНТЕГРАЛа с
модельными предсказаниями, основанными на измеренном суммарном спектре
локальных АЯГ: при учете эволюции плотности излучения АЯГ с красным смещением, обнаруженной по
данным Chandra и XMM-Newton (вверху) и без такого учета (внизу).
В
ядрах большинства галактик находятся черные дыры с массой от миллионов до
миллиардов масс Солнца. Во время аккреционного роста такие объекты могут
наблюдаться как сейфертовские галактики или квазары. Считается, что активные
ядра галактик (АЯГ) вносят основной вклад в космический рентгеновский фон -
излучение, пронизывающее космическое пространство вокруг нас. В стандартном
рентгеновском диапазоне (на энергиях ниже 10 кэВ) глубокие обзоры, выполненные
с помощью телескопов XMM им. Ньютона и Chandra, позволили разрешить около 80%
фона на отдельные АЯГ. Однако остается доказать (или опровергнуть), что жесткий
рентгеновский фон на энергиях выше 10 кэВ также состоит из излучения АЯГ. Так
как чувствительность современных жестких рентгеновских детекторов уступает на
несколько порядков чувствительности телескопов, работающих в стандартном
рентгеновском диапазоне, была поставлена цель выяснить природу жесткого
рентгеновского фона по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ, не пытаясь разрешить фон
на отдельные источники.
Во-первых,
используя российскую квоту наблюдательного времени обсерватории была построена
карта всего неба в диапазоне энергий 17-60 кэВ. В результате были обнаружены и
отождествлены более 130 источников в ядрах близких галактик. Больше половины
полученной выборки составили АЯГ второго типа, которые характеризуются
значительным поглощением рентгеновского излучения вдоль луча зрения и не могут
быть обнаружены в мягких рентгеновских обзорах. В результате была впервые
построена функция жесткой рентгеновской светимости близких АЯГ и показано, что
доля АЯГ второго типа падает с увеличением светимости от 70 до 25 процентов. На
карте распределения АЯГ, зарегистрированных ИНТЕГРАЛом, четко прослеживается
крупномасштабная структура локальной Вселенной, состоящей из сгущений галактик
и пустот с характерными размерами в десятки миллионов световых лет.
Во-вторых,
была выполнена уникальная программа наблюдений земного диска обсерваторией
ИНТЕГРАЛ с целью измерения потока рентгеновского фонового излучения в широком
диапазоне энергий 3-150 кэВ. При этом Земля использовалась как экран,
закрывающий от нас излучение далеких источников, составляющих фон. Эта задача
оказалось нетривиальной, так как Земля сама является источником жесткого
рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии космических лучей с
атмосферой Земли. Поэтому для оценки вклада этого излучения в наблюдаемый
сигнал были проведены вычисления методом Монте-Карло. В результате удалось
уточнить значение потока космического рентгеновского фона по сравнению с предыдущими измерениями.
Наконец,
было показано, что измеренный поток космического рентгеновского фона и исследованные статистические свойства
локальной популяции АЯГ согласуются с гипотезой о том, что жесткий
рентгеновский фон представляет собой суммарное излучение АЯГ. Более того, были
получены ограничения на эволюцию АЯГ начиная с ранних эпох Вселенной (на
красных смещениях z~1.5) по настоящее время (z=0). Выяснилось, что по мере
того, как популяция АЯГ эволюционировала в сторону уменьшения светимости (от
мощных квазаров к более слабым сейфертовским галактикам), такие ключевые
свойства, как соотношение АЯГ первого и второго типа и форма жесткого
рентгеновского спектра АЯГ, по всей видимости, практически не менялись.
Результаты
опубликованы в:
Churazov E.,
Sunyaev R., Revnivtsev M., Sazonov S., Molkov S.,
Grebenev S. et al.
"INTEGRAL observations of the cosmic X-ray background in the 5-100
keV range via occultation by the Earth" 2007 Astronomy and Astrophysics
467, 529
Churazov E., Sazonov S., Sunyaev R., Revnivtsev M. "Earth X-ray albedo for
CXB radiation in the 1-1000 keV band" 2007 Mon. Not.
Krivonos R., Revnivtsev M., Lutovinov A., Sazonov S., Churazov E., Sunyaev
R. "NTEGRAL/IBIS all-sky survey in hard X-rays" 2007 Astronomy
and Astrophysics 475, 775
Sazonov S., Churazov E., Sunyaev R., Revnivtsev M. "Hard X-ray emission of
the Earth's atmosphere: Monte Carlo simulations" 2007 Mon. Not.
Sazonov S., Revnivtsev M., Krivonos R., Churazov E., Sunyaev R. "Hard
X-ray luminosity function and absorption distribution of nearby AGN: INTEGRAL
all-sky survey" 2007 Astronomy and Astrophysics 462, 57
Sazonov S., Krivonos R., Revnivtsev M., Churazov E.,
Sunyaev R. "Cumulative hard X-ray spectrum of local AGN: a link to the
cosmic X-ray background"
2007 Astronomy and Astrophysics (submitted); arXiv0708.3215
Авторы: Сазонов С.Ю., Чуразов Е.М., Кривонос Р.А.,
Ревнивцев М.Г., Сюняев Р.А., Лутовинов А.А., Мольков С.В., Гребенев С.А.
Суммарное рентгеновское
излучение звездного населения галактик.
Происхождение
фонового рентгеновского излучения нашей Галактики было загадкой для рентгеновской астрономии более 25 лет.
Спектральные свойства этого излучения
указывали на то, что излучение формируется в горячей (>5-10 кэВ) плазме, однако никому не удавалось объяснить
механизм диффузного нагрева межзвездного
вещества до таких температур и, в особенности, механизм удержания такой горячей плазмы в слабом гравитационном
поле нашей Галактики. Лишь недавно, во
многом благодаря работам нашей группы (этот цикл работ был вошел в список
важнейших достижений ИКИ РАН в 2006 году), удалось привести ряд убедительных аргументов в
пользу того, что фоновое рентгеновское
излучение Галактики является суммарным излучением большого числа
слабых рентгеновских источников звездного
типа (в частности - аккрецирующих белых
карликов и коронально активных звезд). В 2007 году нам удалось
значительно продвинуться в понимании природы формирования фонового излучения
нашей Галактики как в рентгеновском так
и в жестком рентгеновском/мягком гамма
диапазонах, а так же продемонстрировать, что суммарное излучение
слабых рентгеновских источников вносит
основной вклад в протяженное излучение большого числа других галактик.
В
частности:
1)
Анализ большого набора данных наблюдений обсерватории ИНТЕГРАЛ, обладающей уникальной комбинацией
эффективного телесного угла поля зрения и
углового разрешения, впервые позволил показать, что жесткое рентгеновское/мягкое гамма излучение нашей
Галактики после вычета вклада ярких
аккрецирующих черных дыр и нейтронных звезд формируется в результате суммарного излучения аккрецирующих белых
карликов. Форма энергетического спектра
Галактики позволила оценить среднюю по Галактике массу аккрецирующих белых карликов --0.5-0.6 солнечных массы.
2)
С использованием глубоких наблюдений областей Центра Галактики и галактической
плоскости показано, что как минимум 50% наблюдаемого "фонового"
рентгеновского излучения Галактики возникает в результате сложения потоков
большого количества слабых рентгеновских звезд - звезд с активными коронами и аккрецирующих белых карликов.
Продемонстрировано, что функция светимости слабых галактических источников в
расчете на единицу звездной массы в области Центра Галактики в пределах
погрешностей совпадает с функцией
светимости галактических источников, построенной нами в окрестностях
Солнца.
3)
Исследования протяженного рентгеновского излучения близкой карликовой эллиптической галактики М32
показали, что основная часть ее излучения в области энергий 0.5-7 кэВ возникает
в результате суммарного излучения рентгеновских звезд и аккрецирующих белых
карликов,
Рис.
12. Широкополосный спектр суммарного излучения слабых
рентгеновских источников в нашей
Галактике и вклад в него излучения различных классов источников. Форма
экспоненциального завала спектра в жестком рентгеновском диапазоне, измеренная
при помощи наблюдений обсерватории ИНТЕГРАЛ, позволила определить среднюю массу
аккрецирующих белых карликов в нашей
Галактике.
Рис.13.
Функция светимости слабых рентгеновских источников, измеренных обсерваторией
CHANDRA в области центра Галактики (серая область) и сравнение ее с функцией
светимости слабых рентгеновских источников в окрестности Солнца (красная
область). Хорошо видно, что популяция слабых рентгеновских источников в области
центра Галактики в окрестностях Солнца
практически одинаковы.
Рис.14.
Изображение близкой эллиптической галактики М32 в рентгеновском диапазоне (слева) и его сравнение с картой
галактики в инфракрасном спектральном
диапазоне (справа). Детальные исследования показали, что наблюдаемое
протяженное рентгеновское излучение этой галактики рождается в результате
суммарной светимости слабых рентгеновских источников -- аккрецирующих
белых карликов и коронально активных
звезд.
Результаты опубликованы в статьях:
Krivonos R.,
Revnivtsev M., Churazov E., Sazonov S., Grebenev S., Sunyaev R., "Hard X-ray emission from the
Galactic ridge" 2007, A\&A, 463, 957
Revnivtsev M., Vikhlinin A., Sazonov S.,
"Resolving the Galactic X-ray
background" 2007, А&А, 473, 857
Revnivtsev M., Sazonov S., "On the contribution
of point sources to the Galactic ridge
X-ray emission" 2007, A\&A, 471, 159
Revnivtsev M., Churazov E., Sazonov S., Forman W.,
Jones C., "X-ray emission from the
stellar population in M32" 2007, А&А, 473, 783
Авторы: М.Г. Ревнивцев, С.Ю. Сазонов, Р.А. Кривонос, А.А. Вихлинин, Е.М. Чуразов,
Р.А. Сюняев, С.А. Гребенев
Рентгеновские двойные и
их связь со структурой Галактики по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ
В цикле представлены результаты
наблюдений, открытий и исследований рентгеновских двойных систем по данным
обсерватории ИНТЕГРАЛ, выполненых коллективом авторов в 2005-2007 гг..
Использование данных обсерватории ИНТЕГРАЛ позволило существенно увеличить
количество известных рентгеновских двойных систем, определить природу многих из
них, провести анализ их положения в Галактике и показать, что распределение
маломассивных рентгеновских двойных систем существенно отличается от
распределения массивных рентгеновских двойных систем. Первые, представляющие
старое население, концентрируются к Галактическому центру, вторые, возраст
которых составляет несколько десятков милионов лет, - к спиральным рукавам, где
идут процессы звездообразования. Впервые показано, что максимумы распределения
массивных двойных несколько смещены от положения спиральных рукавов, что скорее
всего связано с различием в скоростях вращения самих звезд и спиральной
структуры. Причем такое смещение наблюдается не только для внутренних областей
Галактики, но и для внешних тоже.
Astronomy and
Astrophysics, 2005, 430, 997-1003
Astronomy and
Astrophysics, 2005, 444, 821-829
'Population of
High Energy Sources in Galaxies', 2006, IAUS 230, 340
'The Obscured
Universe' (Proceedings of 6th INTEGRAL Workshop), 2007, (принята к печати)
Авторы: Лутовинов А.А., Ревнивцев М.Г., Гильфанов М.Р., МольковС.В.,
Штыковский П.В., Сюняев Р.А. (ИКИ РАН)
Регистрация
первого рентгеновского всплеска термоядерного происхождения от источника AX
J1754.2-2754
При анализе архивных данных обсерватории
ИНТЕГРАЛ нами был выявлен мощный рентгеновский всплеск, зарегистрированный 16
апреля 2005 г. телескопами JEM-X и IBIS/ISGRI от слабого и плохо исследованного
источника AX J1754.2-2754. Анализ временных профилей и спектров излучения
позволяет отнести это событие к всплескам I рода, связанным с термоядерными
взрывами на поверхности нейтронных звезд, а сам источник - к рентгеновским
барстерам. Особенности рентгеновского излучения, наблюдавшиеся на начальном
этапе эволюции всплеска, указывают на сильное расширение и соответствующее охлаждение
фотосферы нейтронной звезды, происходящее в это время под действием давления
излучения. Полагая светимость источника на этом этапе эддингтоновской, мы оценили расстояние до
всплеска d=6.6+/-0.3 кпк (в случе водородной атмосферы нейтронной звезды) и
d=9.2+/-0.4 кпк (в случае гелиевой атмосферы).
Авторы: Человеков И.В., Гребенев С.А.
Поиск
рентгеновских и гамма-всплесков по данным орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ
Данный цикл работ посвящен поиску рентгеновских
и гамма-всплесков и их ранее неизвестных источников по данным телескопа IBIS
орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ.
Телескоп
IBIS обладает большим полем зрения ~1000 кв. градусов и проводит заметную часть
времени, исследуя область галактического центра и галактическую плоскость. Здесь сосредоточено почти все
звездное население Галактики, в том числе множество рентгеновских двойных систем. В случае если
компактным объектом в такой системе служит нейтронная звезда со слабым
магнитным полем, она может быть источником коротких мощных рентгеновских всплесков
термоядерного происхождения. Часто всплески
являются единственным наблюдаемым проявлением таких систем, по которому
они могут быть обнаружены. Поиск всплесков от подобных ранее неизвестных
рентгеновских двойных и был целью работы. Интерес представляют также
космические гамма-всплески и вспышки быстрых рентгеновских транзиентов,
обнаруженные в ходе этого поиска.
В цикл вошли две работы: первая из
них посвящена локализации гамма-всплеска GRB 060428C и исследованию его раннего
послесвечения; вторая работа посвящена регистрации первого рентгеновского
всплеска от источника AX J1754.2-2754, что позволило идентифицировать источник
как рентгеновский барстер.
1) 'Космический гамма-всплеск GRB 060428C,
зарегистрированный в поле зрения телескопов IBIS и SPI обсерватории ИНТЕГРАЛ, и
его послесвечение'//С.А. Гребенев, И.В. Человеков// Письма в АЖ, т. 33, ? 12(arXiv:0710.0598)
2) 'Регистрация Первого Рентгеновского Всплеска
Термоядерного Происхождения от Источника AX J1754.2-2754'//И.В. Человеков, С.А.
Гребенев// Письма в АЖ, т. 33, ? 12 (arXiv:0710.5597
t.b.c.)
Авторы: Человеков И.В., Гребенев С.А.
Рентгеновский
источник 4U 0115+63 по данным обсерваторий RXTE и ИНТЕГРАЛ: профиль импульса и
энергия циклотронной линии"
Представлены результаты анализа наблюдений
транзиентного рентгеновского пульсара 4U0115+63, выполненного по данным
орбитальных обсерваторий RXTE и ИНТЕГРАЛ в широком рентгеновском диапазоне
энергий (3-100 кэВ) во время мощных вспышек излучения в 1999 и 2004 гг. Вблизи
максимума рентгеновского потока от источника (диапазон светимостей 5~1037
- 2~1038 эрг/с) энергия основной гармоники резонансной линии
циклотронного поглощения составляет ~11 кэВ. При уменьшении светимости пульсара
ниже ~5x1037 эрг/с энергия основной гармоники резко смещается в
сторону высоких энергий, до ~16 кэВ. В предположении о дипольной конфигурации
магнитного поля, такое изменение энергии циклотронной гармоники соответствует
уменьшению высоты излучающей области на ~2 км. При этом другие параметры
спектра, в частности, энергия завала, практически не меняются.
При светимости ~7x1037 эрг/с в
спектре четко видны 4 гармоники циклотронной линии, расположенные практически
эквидистантно, что свидетельствует либо о компактности области, где формируется
излучение, либо об однородности спектра, выходящего из различных по высоте
участков аккреционной колонки.
Обнаружены значительные изменения профиля
импульса с энергией, светимостью и временем. В частности, показано, что
вариации профиля от импульса к импульсу не сводятся к простой модуляции темпа
аккреции, задаваемой внешними условиями.
Показано, что доля пульсирующего излучения растет как с уменьшением собственной
светимости источника, так и с увеличением энергии, свидетельствуя о большей
компактности излучающих в жестких лучах областей
С.С. Цыганков, А.А.Лутовинов, Е.М.Чуразов,
Р.А.Сюняев. Письма в АЖ, том 33, N6, с.417-434 (2007).
Авторы: С.С.Цыганков, А.А.Лутовинов,
Е.М.Чуразов, Р.А.Сюняев.
Тема РТТ150 Подготовка и реализация научных программ
наблюдений на оптическом телескопе РТТ150.
Гос.
регистрация ?01.20.0307395
Научный
руководитель д.ф.-м.н. А.А. Вихлинин.
Наблюдение
оптического послесвечения гамма-всплеска 060526 на телескопе РТТ-150.
Возможность перехода к нерелятивистскому движению.
На
Российско-Турецком 1.5-м телескопе РТТ-150 получены подробные измерения кривой
блеска оптического послесвечения гамма-всплеска 060526, начиная с времени около
5 часов после гамма-всплеска и на протяжении пяти последующих ночей. Кроме
того, получены верхние пределы на быструю переменность послесвечения в первую
ночь наблюдений, подробно измерена история изменения цвета послесвечения. Во
временном промежутке от 6 до 16 ч после всплеска происходит плавное падение
потока излучения, примерно по степенному закону с наклоном −1.14 + 0.02.
После этого наблюдаются переменность на временном масштабе δt < t и
послесвечение начинает затухать гораздо быстрее. Цвет послесвечения оказывается
примерно постоянным, V−R ~ 0.5, во все время наблюдений, несмотря на
переменность потока излучения. Наблюдаются масштабы переменности до δt/t
~0.0055 при ΔFν/Fν ~ 0.3, что нарушает многие ограничения на
переменность наблюдаемого излучения ультрарелятивистской струи, полученные в
работе Иока и др. (2005). Предлагается объяснять эту переменность тем, что в
это время движение оболочки уже не является ультрарелятивистским.
В
послесвечениях космических гамма-всплесков во многих случаях наблюдается
переменность на временных масштабах δt < t. Известно, что излучение,
которое рождается в головной ударной волне, образованной при взаимодействии
ультрарелятивистского выброса с окружающей межзвездной средой, не должно
содержать такой переменности, в рамках простых моделей. Соответствующие ограничения
установлены в работе Иока и др. (2005) и в некоторых случаях не согласуются с
наблюдениями. С другой стороны, если движение не является релятивистским,
быстрая переменность послесвечения может
быть
объяснена гораздо проще. В этой связи, обсуждаются различные оценки времени
перехода к нерелятивистскому движению в источнике гамма-всплеска. Обращается
внимание на то, что переход к нерелятивистскому движению должен происходить на
масштабе наблюдаемого времени порядка десяти суток. В случае более высокой
плотности окружающего вещества ~102-104
см−3 или звездного ветра ˙Mdot ~10−5-10−4 MSolar/год,
переход к нерелятивистскому движению может происходить на временном масштабе
порядка суток. Такие плотности вполне можно ожидать в областях
звездообразования и вокруг массивных звезд Вольфа-Райе.
Публикации:
И. М.
Хамитов, Р. А. Буренин, И. Ф. Бикмаев, Н. А. Сахибуллин, М. Н. Павлинский, Р.
А. Сюняев, З. Аслан, 'Наблюдение оптического послесвечения гамма-всплеска
060526 на телескопе РТТ-150', Письма в Астрономический журнал, 33, 891 (2007)
Р. А.
Буренин, 'О переменности послесвечений космических гамма-всплесков -
возможность перехода к нерелятивистскому движению', Письма в Астрономический
журнал, 33, 899 (2007)
Рис.
15: Кривая блеска оптического послесвечения гамма всплеска 060526.
Исследование
оптического послесвечения гамма-всплеска 050408
В
сотрудничестве с другими обсерваториями подробно исследовано послесвечение
гамма-всплеска 050408, который, в отличие от большинства других
гамма-всплесков, имел повышенную светимость в мягкой рентгеновской области.
Получена многополосная оптическая кривая блеска, начиная со времени около 800 с
после начала гамма-вспышки и до нескольких месяцев после нее. Использованы
также данные рентгеновских, миллиметровых и радио наблюдений. Показано, что
послесвечение этого всплеска очень похоже на послесвечения обычных длинных
гамма-всплесков, а повышенная
интенсивность рентгеновского излучения может быть объяснена тем, что
струя наблюдается немного со стороны.
Публикации:
de Ugarte
Postigo A., Fatkhullin T. A., JСhannesson G., Gorosabel J., Sokolov V. V.,
Castro-Tirado A. J., Balega Yu. Yu., Spiridonova O. I., JelМnek M., Guziy S.,
PИrez-RamМrez D., Hjorth J., Laursen P., Bersier D., Pandey S. B., Bremer M.,
Monfardini A., Huang K. Y., Urata Y., Ip W. H., Tamagawa T., Kinoshita
D.,Mizuno T., Arai Y., Yamagishi H., Soyano T., Usui F., Tashiro M., Abe K.,
Onda K., Aslan Z., Khamitov I., Ozisik T., Kiziloglu U., Bikmaev I.,
Sakhibullin N., Burenin R., Pavlinsky M., Sunyaev R., Bhattacharya D., Kamble A. P., Ishwara Chandra C. H., Trushkin S. A., 'Extensive multiband study of the X-ray rich GRB
050408. A likely off-axis event with an intense energy
injection', Astronomy and Astrophysics, Volume 462, p. L57
Наблюдения
оптических послесвечений космических гамма-всплесков
В течение
2007 года на телескопе РТТ-150 проведены наблюдения оптических послесвечений
4-х гамма-всплесков. Получены важные точки в кривых блеска этих послесвечений,
которые дают существенно новую информацию о кривых блеска послесвечений этих
гамма-всплесков.
Публикации:
Буренин и
др., Циркуляр GCN 7066; Мещеряков и др., Циркуляр GCN 6617; Хамитов и др.,
Циркуляр GCN 6575
Оптические
отождествления жестких рентгеновских источников обсерваторий ИНТЕГРАЛ, СВИФТ и
RXTE
На
телескопе РТТ-150 продолжены работы по проведению оптических отождествлений
жестких рентгеновских источников обсерваторий ИНТЕГРАЛ, СВИФТ и RXTE. Кроме
того, в рамках этой программы начаты наблюдения на 6-м телескопе БТА. Для
источника IGRJ16562−3301 уточнена астрометрия по рентгеновским данным и
получен оптический спектр на телескопе РТТ-150. Показано, что этот источник
является объектом типа BL Lac.
По
результатам отождествлений других источников обсерватории ИТНЕГРАЛ и СВИФТ к
публикации готовятся две статьи.
Публикации:
R.
Burenin, M. Revnivtsev, A. Mescheryakov, I. Bikmaev,M. Pavlinsky, R. Sunyaev,
'INTEGRAL source IGR J16562-3301 - a new BL Lac object', ATEL