Астрофизика

Обработка экспериментальных данных обсерваторий RXTE, ГРАНАТ и КВАНТ

В нескольких рентгеновских источниках были открыты квазипериодические осцилляции рентгеновского потока. В частности - было показано, что в рентгеновском потоке источника XTE J1118+480 присутствуют квазипериодические осцилляции с периодом примерно 10 сек. (Revnivtsev, Sunyaev, Borozdin, 2000, A&A, 361, 37L). В ряде рентгеновских источников, двойных систем с нейтронными звездами, были обнаружены квазипериодические осцилляции рентгеновского потока с аномально большим периодом - 100-150 сек. Уникальный комплекс свойств этих осцилляций позволяет с достаточной степенью уверенности считать их результатом особого режима нестационарного термоядерного горения на поверхности нейтронной звезды. (Revnivtsev et al, A&A, submitted; mikej@hea.iki.rssi.ru)

Были проведены комплексные исследования хорошо известного источника, кандидата в черные дыры Лебедь
X-1. Сейчас общепринятой геометрией аккреционного потока в двойных рентгеновских системах с черными дырами является там называемая геометрия ``диск+сфероид''. В центральном горячем облаке (сфероиде) происходит формирование жесткого рентгеновского излучения. Часть этого излучения затем отражается от окружающего тонкого холодного аккреционного диска, формируя т.н. отраженную компоненту, хорошо видимую на спектре источника. В частности, одним из проявлений отраженной компоненты в спектре источника является флуоресцентная линия К_альфа железа на энергии ~6.4-6.7 кэВ. Было показано, что жесткость рентгеновского излучения источника Лебедь X-1, а также характерная частота шума его рентгеновского потока завязана с амплитудой отраженной компоненты, иначе говоря с ролью холодного аккреционного диска в формировании выходящего излучения Лебедя X-1. Обнаруженное поведение спектральных параметров согласуется с моделью обратной связи в модели ``диск+сфероид''. Чем ближе аккреционный диск к черной дыре тем больше он оказывает влияния (охлаждает) на горячую внутренную область - спектр в целом мягчает, а амплитуда отраженной компоненты растет. Кроме того показано, что поток в флуоресцентной линии железа (К_альфа) на частотах выше примерно 1 Гц значительно менее переменен, чем поток в континууме на тех же частотах. Поскольку флуоресцентная линия железа появляется в результате отражения от большого по размеру аккреционного диска, то можно предположить, что переменность потока в ней будет подавлена на временах меньших, чем характерное время пересечения светом основного размера аккреционного диска. Обнаруженный эффект позволяет оценить характерный внутренний радиус аккреционного диска ~ 100Rg(100 гравитационных радиусов центральной черной дыры системы Лебедь X-1).(Gilfanov, Churazov, Revnivtsev, 2000, MNRAS, 316, 923; mikej@hea.iki.rssi.ru)

Анализ кривых блеска источника Лебедь X-1 в мягком/высоком состоянии показал, что переменность источника в рентгеновском диапазоне энергий в широком диапазоне временных масштабов практически целиком обусловлена переменностью жесткой компоненты спектра. Мягкая компонента спектра, рождающаяся в оптически толстом (геометрически тонком) аккреционном диске практически постоянна. Таким образом получается, что жесткая спектральная компонента, возникающая в зоне основного энерговыделения вокруг черной дыры (5-10 ее гравитационных радиусов), обладает большим диапазоном временных масштабов переменности; от десятков миллисекунд до минут и даже часов. Трудно представить чтобы переменность на масштабах часов рождалась в области, где любое динамическое время не превышает долей секунд. Для объяснения такого различного поведения двух спектральных компонент была предложена модель двухпотокового (геометрически тонкого и геометрически толстого) аккреционного течения. Неустоийчивости в аккреционном течении возникают на различных расстояниях от черной дыры в каждом из потоков, однако в геометрически тонком потоке значительно большее характерное время аккреции приводит к подавлению переменности на коротких временных масштабах. В геометрически толстом течении такого подавления не происходит и может возникать значительная переменность в жесткой компоненте, связанной с геометрически толстым (оптически тонким) аккреционным потоком. (Churazov, Gilfanov, Revnivtsev, A&A, accepted; mikej@hea.iki.rssi.ru)

В рамках исследования короткомасштабной переменности Галактических рентгеновских источников также был получен ряд интереснейших результатов.Был развит метод обработки фурье-спетров мощности потока рентгеновских источников на сверхвысоких частотах (>1-50 кГц) в сложных условиях влияния мертвого времени регистрирующего инструмента. С использованием этого метода удалось проследить переменность известного рентгеновского источника Лебедь X-1 вплоть до частот порядка 1-2 кГц. Причем, впервые статистически значимая переменность рентгеновского потока этого источника была обнаружена на частотах 100-300 Гц. Этот временной масштаб (миллисекунды) уже сравним с характерным временем обращения вещества на последней устойчивой орбите вокруг черной дыры в системе Cyg X-1. Расширяя исследование быстрой рентгеновской переменности Галактических обьектов, нами было обнаружено, что рентгеновское излучение от двойных систем с нейтронными звездами значительно более сильно переменно на частотах более 100 Гц (временной масштаб менее 0.01 сек), чем от систем с черными дырами. Этот наблюдательный факт является одним из важнейших критериев, который позволит в дальнейшем определять природу компактного объекта в рентгеновских транзиентах. (Revnivtsev, Gilfanov, Churazov, A&A, accepted; Sunyaev, Revnivtsev, 2000, A&A, 356, 617; mikej@hea.iki.rssi.ru)

По данным спутника RXTE обнаружен и исследован исключительно мощный рентгеновский всплеск от источника 4U1724-307 в шаровом скоплении Терзан 2. Это уникальный всплеск с необычным профилем, в котором основному событию предшествовали два очень коротких всплеска (прекурсоры). Интенсивность излучения в первом прекурсоре была сравнима с интенсивностью в максимуме основного события и достигала 3.6*1038 эрг/с. Показано, что такая форма профиля всплеска связана с сильным (более чем в миллион раз по радиусу!) расширением фотосферы нейтронной звезды, которое сопровождалось ее быстрым охлаждением, увеличением непрозрачности (на несколько секунд фотосфера полностью скрыла область формирования непрерывного излучения и источник погас) и осцилляциями. (Molkov S. V., Grebenev S. A., Lutovinov A. A., 2000, A&A, v.357, p.L41; sergei@hea.iki.rssi.ru)

Теоретические исследования

В слаборелятивистском пределе рассмотрена классическая задача (решалась аналитически в нерелятивистском пределе Дираком, Чандрасекаром и другими) о перераспределении фотонов по энергии в результате однократного Комптоновского рассеяния на тепловых электронах. Получены алгебраические выражения для: 1) функции перераспределения K(E, Omega --> E', Omega') (E - энергия, Omega - направление) и 2) спектра, формирующегося в случае изотропного поля излучения: P(E --> E'). Их диапазон применимости: температура плазмы kT<25 кэВ, энергия фотонов E<50 кэВ. Полученные формулы позволяют описывать с высокой точностью профили рентгеновских и низкочастотных линий после рассеяния в горячих оптически тонких плазмах, например, в скоплениях галактик, в коронах аккреционных дисков, вблизи активных ядер галактик, во время взрывов сверхновых звезд. Современный уровень рентгеновских наблюдений (приборами обсерваторий Chandra и Newton-XMM) дает уверенность в том, что скоро станет возможным регистрировать и измерять профили широких подложек спектральных линий, сформированных в результате рассеяния на электронах, и тем самым диагностировать горячую разреженную плазму. Более широко полученные формулы могут использоваться в качестве ядра интегрального кинетического уравнения, описывающего комтонизацию на тепловых электронах. В частности, ядро K(E, Omega --> E', Omega') приложимо к задаче об индуцированном Комптоновском рассеянии анизотропного низкочастотного излучения с высокой яркостной температурой на свободных электронах вблизи мощных радиоисточников и мазеров. Фоккер-Планковским разложением интегрального кинетического уравнения с ядром P(E --> E') получено обобщение нерелятивистского уравнения Компанейца для слаборелятивистского предела. (S.Y. Sazonov, R.A. Sunyaev, 2000, ApJ 543, 28, ss@hea.iki.rssi.ru)

Получено аналитическое выражение для индикатриссы Комптоновского рассеяния на ансамбле горячих электронов (в том числе ультрарелятивистских), которое является обобщением Рэлеевской угловой функции. Показано, что в релятивистской плазме фотоны в основном рассеиваются назад, т.е. ситуация примерно противоположна той, которая возникает при рассеянии фотонов с очень большой энергией (E>mc^2) на холодных электронах. Показано, что данное явление играет важную роль во многих астрофизических ситуациях, например, при радиационном обмене энергией между аккреционными дисками и окружающими горячими коронами около черных дыр и нейтронных звезд, в компактных радиоисточниках (влияет на темп охлаждения газа), а также при формировании комптонизационных спектров в различных объектах (S.Y. Sazonov, R.A. Sunyaev, 2000, A&A 354, L53 ; С.Ю. Сазонов, Р.А.Сюняев, 2000, ПисьмаАЖ,26,574,ss@hea.iki.rssi.ru)

Энерговыделение Ls на поверхности нейтронной звезды (НЗ) со слабым магнитным полем и энерговыделение Ld в аккреционном диске вокруг нее зависят от двух независимых параметров, определяющих ее состояние (например, массы M и циклической частоты вращения f), и пропорционально темпу аккреции. Получены простые аппроксимационные формулы, иллюстрирующие зависимость эффективности энерговыделения в протяженном диске и в пограничном слое у поверхности звезды от частоты и направления вращения для различных уравнений состояния НЗ. Подобные формулы найдены для квадрупольного момента НЗ, для зазора между ее поверхностью и последней устойчивой орбитой, частоты вращения на кеплеровской орбите на экваторе и последней устойчивой круговой орбите, темпа ускорения вращения звезды дисковой аккрецией. В случае противовращения звезды и диска энерговыделение при аккреции может достигать 0.67Mdot c2. Направление вращения звезды является фактором, сильно влияющим на наблюдаемое отношение ядерного энерговыделения во время всплесков к гравитационному энерговыделению между всплесками у рентгеновских барстеров. Обсуждается возможность существования в Галактике двойных систем с противовращением НЗ и диска. Hа основе статического критерия устойчивости дан метод построения зависимости гравитационной массы M от параметра вращения Керра j и суммарной массы барионов (массы покоя) m для твердотельно вращающейся нейтронной звезды. Показано, что все глобальные характеристики НЗ выражаются через функцию M(j, m) и ее производные. Параметры круговой орбиты на экваторе и последней устойчивой орбиты найдены с помощью функции M(j, m) и точного решения уравнений Эйнштейна в пустоте, включающего в себя три параметра: гравитационную массу M , угловой J и квадрупольный Phi2 моменты. В зависимости от значения Phi2 это решение может быть также интерпретировано как решение, описывающее поле либо двух керровских черных дыр, либо двух керровских дисков. (Н.Р. Сибгатуллин, Р.А. Сюняев, 2000, Письма АЖ, rs@hea.iki.rssi.ru)

Выведены формулы, описывающие энерговыделение при аккреции на холодную (с постоянной энтропией) быстровращающуюся нейтронную звезду с малым магнитным полем в ньютоновской теории и ОТО при условии совпадения осей вращения звезды и диска, а также в случае противовращения. Анализируются отдельно случаи, когда экваториальный радиус нейтронной звезды больше радиуса последней устойчивой орбиты в плоскости диска и когда экваториальный радиус нейтронной звезды меньше радиуса последней устойчивой орбиты. Для фигуры равновесия вращающейся несжимаемой жидкости в собственном гравитационном поле (сфероида Маклорена) получены явные формулы для зависимости энерговыделения в диске и на поверхности от эксцентриситета сфероида в диапазоне его устойчивости. Для экваториального радиуса НЗ предложена приближенная формула для произвольного уравнения состояния, совпадающая с точной при угловом моменте J=0. (Н.Р. Сибгатуллин, Р.А. Сюняев, 2000, Письма АЖ, 26, 699, rs@hea.iki.rssi.ru)

"Пузыри" в охлаждающемся газе скоплений галактик Скопления галактик являются самыми массивными структурами во Вселенной, прошедшими стадию релаксации. Потенциальная яма, создаваемая темным и видимым веществом скоплений, заполнена горячим газом с температурой в несколько десятков миллионов градусов. Время охлаждения такого газа за счет излучения может быть значительно короче времени существования скоплений. В результате в центральных областях скоплений формируются так называемые потоки охлаждения. Потоки охлаждения "фокусируются" вокруг гигинтских эллиптических галактик, в центре которых, как правило, находится активное ядро - сверхмассивная черная дыра. Наблюдения гигантской эллиптической галактики М87, входящей в скопление галактик в созвездии Девы, в радио и рентгеновском диапазонах длин волн показали, что ядро этой галактики "надувает" в окружающем газе огромные пузыри, заполненные релятивисткой плазмой. Под действием архимедовой силы эти пузыри медленно поднимаются и превращаются в торообразные стуктуры. При этом они увлекают за собой значительные массы окружающего газа. Некоторые вопросы эволюции таких пузырей рассмотрены в приведенных работах. В целом весь процесс напоминает картину мощного взрыва в земной атмосфере, сопровождающегося образованием характерного "гриба". Энергия поднимающихся пузырей постепенно передается окружающему газу и способна обеспечить нагрев этого газа, необходимый для того, чтобы сбалансировать охлаждения газа за счет рентгеновского излучения. (Churazov et al, 2000, ApJ, submitted; Churazov et al, , 2000, A&A, 356, 788; chur@hea.iki.rssi.ru)

Исследования сверхтонкой структуры квазаров.

Завершен цикл исследований ядер объектов 3С 345 и 1803+784. По данным РСДБ наблюдений получена сверхтонкая структура области ядер, определено положение инжектора, проведено его отождествление на разных частотах. Установлена спиральная структура джета, определено распределение спектрального индекса вдоль спирали. Наблюдаемая спиральная структура и искривление оси спирали объяснено быстрой и медленной прецессией оси инжектора. Джет подобно кокону окружен тонким слоем (<0.01 сг) ионизованной среды, определена плотность электронов и ее зависимость от расстояния от инжектора. Прозрачность стенки растет с увеличением частоты и расстояния от инжектора. Видимая компактная компонента на низких частотах (дециметровые волны) соответствует близлежащей части джета. Показано, что радиоизлучение инжектора значительно (>10 дБ) поглощается на l > 6 см. Яркостные температуры ядер практически соответствуют комптоновскому пределу.Матвеенко Л.И. проф., доктор физ-мат наук тел. 333-23-89, E-mail: lmatveen@mx.iki.rssi.ru. Бритцен С., Витцел А.И., Крихбаум Т.П., Макслоу Т., Матвеенко Л.И., "Исследования тонкой структуры объекта 1803+784". ПАЖ, 2001, т27

Исследования областей звездообразования.

Продолжены исследования сверхтонкой структуры джета в газопылевом комплексе Ориона - во второй фазе супер мазерного излучения. Проведены построения радио изображений на период 1998.3-1999.3. Достигнуто сверхвысокое угловое разрешение ~100 мксек.дуги, что соответствует линейному размеру 0.05 а.е. в области Ориона. Установлено, что второй период активности связан с увеличением яркости центральной части джета. Здесь расположен компактный яркий источник, размеры которого < 50 мксек дуги. Таким образом удалось обнаружить и установить положение инжектора - источника потока вещества, содержащего молекулы водяного пара. Источник расположен в центре джета, таким образом джет представляет собой биполярный поток вещества. Мазерное излучение в области инжектора в момент максимума активности достигало 106 Ян, а его яркостная температура Тb "1017 K. Установлено, что формированию протозвезд сопутствуют аккреционные диски, биполярные потоки и мощное Н2О мазерное излучение. Диски находятся на стадии разделения на протопланетные кольца. Показано, что окружающая среда - плотное молекулярное облако, имеет радиальную скорость в местной системе покоя равную 7.74 км/с. Излучение рассматриваемой тонкой структуры, скорости компонентов которой лежат в пределах мазерного окна окружающей среды, усиливаются примерно на три порядка. Этим объясняется "постоянство" скорости ярких компонентов. Матвеенко Л.И. проф., доктор физ-мат наук тел. 333-23-89, E-mail: lmatveen@mx.iki.rssi.ru. Матвеенко Л.И., Даймонд Ф.Д., Грэм Д.А., "Кольцевые структуры в объекте Орион КL", 2000, АЖ, т77, стр.669.

Исследование тепловой эволюции объекта Торна-Жидков.

Численно рассчитана эволюция звезды с массой равной пяти солнечным и с первоначально холодным нейтронным ядром (объект Торна-Житковой) с учётом прогрева нейтронной звезды потоком тепла, выделяемым при аккреции оболочки. Оказалось, что температура нейтронного ядра не повышается до величины, при которой система могла бы стать неустойчивой относительно вспышки нейтринной светимости. Иными словами, прогрев нейтронного ядра не приводит к быстрому коллапсу исходной конфигурации. (д.ф.-м.н. Г.С.Бисноватый-Коган, тел.333-45-88; "Тепловая эволюция объекта Торна-Жидков"; М.В.Барков,Г.С.Бисноватый-Коган, С.А.Ламзин, Принято к печати в Астр. Журн.)

Двумерное численное моделирование задачи о магниторотационном выбросе вещества из замагниченной дифференциально вращающейся звезды.

Проведено двумерное численное моделирование задачи о магниторотационном выбросе вещества из замагниченной дифференциально вращающейся звезды. Показано, что различные конфигурации начального магнитного поля могут привести к качественно различной структуре выброса: джет, либо близкий к сферическому выброс. (д.ф.-м.н. Г.С.Бисноватый-Коган, тел.333-45-88; "Nonstationary magnetorotational processes in a rotating magnetized cloud", N.V.Ardeljan, G.S.Bisnovatyi-Kogan, S.G.Moiseenko Astron.Astrophys 355,1181-1190,2000)

Исследование задачи о конвективных URCA оболочках и изучение их роли в звездных осцилляциях.

Выведена система уравнений, описывающая предсверхновую с конвективными URCA оболочками, модифицирующая теорию длины пути перемешивания. Показано, что механизм подавления звездных осцилляций связанных возбуждением коротких звуковых волн является наиболее существенным для звезд с фазовыми переходами и нелинейной объемной вязкостью, как и в URCA оболочках.(д.ф.-м.н. Г.С.Бисноватый-Коган, тел.333-45-88; "Stellar oscillations and stellar convection in presence of URCA shell" G.S.Bisnovatyi-Kogan; Month. Not. R.A.S., accepted)

Исследование решения системы уравнений для оптически толстого аккреционного диска.

Рассмотрена задача об эволюции системы электронов с заданным начальным распределением во внешнем магнитном поле.

Получено уравнение, описывающее эволюцию функции распределения в однородном магнитном поле при произвольной степени релятивизма электронов, и найдено его точное решение. Найдены асимптотики этого решения, соответствующие случаям синхротронного и релятивистского дипольного излучения и вычислена эволюция спектров излучения для этих предельных случаев. Феноменологически учтена кривизна магнитного поля и показано наличие экспоненциального завала для случая синхротронного излучения. (д.ф.-м.н. Г.С.Бисноватый-Коган, тел.333-45-88;."Эволюция функции распределения электронов и спектра их излучения в магнитном поле." Г.С.Бисноватый-Коган, О.В.Шорохов, Астрон. журнал, 2000, том 77, 9, с. 703-712).
Метод расчета устойчивости звезд в рамках ОТО для модели нейтронной звезды с простым уравнением состояния. Разработанный на основе метода Галеркина приближенный метод расчета устойчивости звезд в рамках ОТО, был применен к нейтронной звезде с простым уравнением состояния. Для комбинации из двух полиномов, в качестве которых брались один эмденовский профиль и один тригонометрический полином ( либо полином Чебышева ), получен результат более точный чем при обычном расчете с линейной пробной функцией. (д.ф.-м.н. Г.С.Бисноватый-Коган, тел.333-45-88; С.Г.Моисеенко)

Проведенные в 2000 г. оптические и инфракрасные наблюдения газопылевого облака в созвездии Змеи (Serpens Cloud) вблизи звезды BD+1o3694, освещающую отражательную туманность S68 позволили обнаружить появление нового оптического объекта в этой области - возможно двух протозвезд. На рисунке приведены снимки области неба вблизи BD+1o3694, сделанные при Паломарском обзоре и в КрАО на телескопах АЗТ-7 в 1997 г. и Цейс-1000 в 1999 и 2000 гг. Видно появление в последние годы оптического объекта (в виде двух звезд) примерно V=15m в 32" к востоку (слева) от самой яркой (на снимках) звезды. Ранее, именно в этой области, авторы наблюдали только переменное инфракрасное излучение в полосе M (4.8 мкм). Проведенные в Южной лаборатории ГАИШ инфракрасные фотометрические наблюдения указывают на необычный спектр проявившегося объекта и изменение ИК-блеска для самой BD+1o3694. Учитывая, что масштаб происходящих в этом районе изменений соответствует скоростям более 1000 км/с, наблюдаемое явление - уникально и, хотя полученные результаты и тем более интерпретацию следует рассматривать как предварительные, они указывают на необходимость проведения непрерывного мониторинга неба в инфракрасной области спектра (Маслов И.А., тел.333-40-11, E-mail: imaslov@iki.rssi.ru).

Исследована роль многократно рассеянного света в земной атмосфере в период светлых сумерек для различных длин волн, а также влияние многократного рассеяния и рассеяния на частицах атмосферного аэрозоля на поляризацию фона сумеречного неба. В рамках этих исследований были проведены широкоугольные поляриметрические наблюдения неба вблизи зенита с ПЗС-камерой в полосах U, B, V и R. На основе полученных данных определена доля однократно рассеянного света в светлые сумерки в зените для полос U, B и V, а для полосы R получена оценка этой величины снизу. Проведен анализ цветовых и поляризационных изменений фона неба в период сумерек с учетом свойств однократного и многократного рассеяния. Получена также характерная высота верхней границы приземного аэрозольного слоя в атмосфере Земли - порядка 20 км. (Маслов И.А., тел.333-40-11, E-mail: imaslov@iki.rssi.ru)..

Сформулированы новые идеи, интерпретирующие основные особенности физического вакуума, что может иметь важное значение для космологии. "Наука и технология в России" №42-43, 2000г. с. 25.
Проведен фрактальный анализ гамма-всплесков. Показано существование трех типов гамма-всплесков. Принято к публикации "известия РАН, сер. Физика, 2001.
Исследовано возможное влияние гамма-всплесков на экологию Земли и эволюцию животного и растительного мира. Astronomical and Astrophysical Transaction, 2000, vol. 18,pp. 567-572. Контактный телефон: 333-53-35, д.ф.-м.н. Розенталь И.Л.