II. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Тема ВСЕЛЕННАЯ. Исследования в области астрофизики высоких энергий, теоретической физики и наблюдательной космологии.

Гос. регистрация № 0120.0 602990

Научный руководитель академик Р.А. Сюняев

Измерения космологических параметров при помощи наблюдений скоплений галактик

Впервые получены надежные измерения фактора роста возмущений плотности во Вселенной на красных смещениях z= 0-0.7 по рентгеновским измерениям функции масс скоплений галактик. Основными научными результатами, полученными при помощи этих измерений, являются:

· Первое надежное обнаружение присутствия «темной энергии», полученное не с использованием проявлений ее влияния на геометрические свойства Вселенной в целом, а принципиально новым методом, основанным на наблюдении замедления роста крупномасштабной структуры, вызванного присутствием «темной энергии» во Вселенной.

· Существенное уточнение (в 1.5-2 раза) параметра уравнения состояния темной энергии. Совместные ограничения, полученные с помощью геометрических измерений и по наблюдениям роста структуры, позволяют утверждать, что «жесткость» темной энергии в пределах около 5% соответствует значению, ожидаемому для космологической постоянной: w0=-0.991+- 0.045 (стат.) +-0.039 (сист.).

· Существенное уточнение измерений ряда других космологических параметров, например, суммарной массы легких нейтрино: ∑mν<0.33 эВ

Эти результаты получены на основе многолетней работы по составлению рентгеновских обзоров скоплений галактик и измерений масс скоплений в местной части Вселенной, а также на высоких красных смещениях (z вплоть до 0.9). В работе использованы данные по 37-ми наиболее массивным далеким скоплениям, обнаруженным в обзоре площадью 400 кв. градусов (400d), а также данные 49 наиболее ярким близким скоплениям из обзора всего неба РОСАТа. В работе использовались наблюдения, полученные нашей группой при помощи рентгеновской обсерватории Чандра, а также при помощи ряда наземных оптических телескопов, где ведущую роль играл телескоп РТТ-150.

Используя измерения функции масс скоплений галактик удалось также получить новые сильные ограничения на возможное видоизменение действия Гильберта в ОТО в виде добавочного члена f(R), где R — скалярная кривизна.

Рис. 1 Ограничения на плотность энергии темной материи и параметр ее уравнения состояния, полученные из измерений функции масс скоплений галактик.

Представлено в

A. Vikhlinin, R. A. Burenin, H. Ebeling, W. R. Forman, A. Hornstrup, C. Jones, A. V Kravtsov., S. S. Murray, D. Nagai, H. Quintana, A. Voevodkin, ``Chandra Cluster Cosmology Project. II. Samples and X-Ray Data Reduction'', The Astrophysical Journal, v. 692, p. 1033 (2009)

A. Vikhlinin, A. V. Kravtsov, R. A. Burenin, H. Ebeling, W. R. Forman, A. Hornstrup, C. Jones, S. S.Murray, D. Nagai, H. Quintana, A. Voevodkin, ``Chandra Cluster Cosmology Project III: cosmological parameter constraints'', The Astrophysical Journal, v. 692, p. 1060 (2009)

F. Schmidt, A. Vikhlinin, W. Hu, «Cluster constraints on f(R) gravity», Physical Review D, v. 80, id. 083505

Sun, G. M. Voit, M. Donahue, C. Jones, W. Forman, and A. Vikhlinin, «Chandra Studies of the X-Ray Gas Properties of Galaxy Groups», The Astrophysical Journal, v. 693, p. 1142

A. Vikhlinin, «Studies of Dark Energy with Chandra», Chandra's First Decade of Discovery, Proceedings of the conference held 22-25 September, 2009 in Boston, MA. Edited by Scott Wolk, Antonella Fruscione, and Douglas Swartz

Протяженное излучение Галактики

Ранее, в наших работах 2006-2008 гг было показано, что карта протяженного рентгеновского излучения «хребта» в нашей Галактике пространственно хорошо повторяет излучение Галактики в инфракрасном спектральном диапазоне, создаваемое большим количеством немолодых звезд. Также было показано на основе исследований звездного населения окрестностей Солнца, что суммарное излучение известных типов звездных систем может объяснить феномен «хребта» Галактики. Ключевым экспериментом, позволяющим подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу стали сверхглубокие (с чувствительностью до 1е-17 эрг/с/кв.см) наблюдения области «хребта» Галактики инструментом с высоким угловым разрешением, выполненные при помощи орбитальной обсерватории Чандра. Эти наблюдения были выполнены по нашей заявке в течение 2008 года. Обработка данных этих наблюдений позволила полностью подтвердить наши оценки, сделанные ранее на основе косвенных аргументов и сделать следующие выводы:

· В характерный области «хребта» Галактики обнаружено большое число слабых рентгеновских источников с поверхностной плотностью во 100 тыс. источников на кв. градус.

· Обнаружено, что до 88 +/-12 % излучения «хребта» Галактики в области энергий 6-7 кэВ разрешается на точечные источники, обнаруженные в данных наблюдениях.

· Показано, что суммарная кривая подсчетов источников хорошо согласуется с кривой подсчетов, ожидаемой на основе нашего знания о рентгеновских объектах в окрестностях Солнца. Это позволяет сделать предварительный вывод, что звездное население, ответственное за рентгеновское свечение «хребта» не является преимущественно молодым.

Рис. 2 Протяженное излучение Галактики («хребет» Галактики) по наблюдениям обсерватории RXTE. На врезке показано сверхглубокое изображение телескопа Чандра, при помощи которого было доказано, что излучение «хребта» Галактики объясняется излучением большого количества слабых точечных источников.

Представлено в:

M. Revnivtsev, S. Sazonov, E. Churazov, W. Forman, A. Vikhlinin, R. Sunyaev, "Discrete sources as the origin of the Galactic X-ray ridge emission", 2009, Nature, v. 458, p. 1142

Влияние процессов диффузии на распределение тяжелых элементов в межгалактической плазме скоплений галактик

Исследованы процессы диффузии в межгалактической среде скоплений галактик и ее влияние на распределение тяжелых элементов. Диффузия в скоплениях галактик определяется тремя параметрами — гравитацией (гравитационная сепарация), градиентом концентрации и градиентом температуры (термодиффузия). Основное внимание традиционно уделялось гравитационной сепарации, приводящей к оседанию тяжелых элементов в центрах скоплений. Однако при наличии градиентов температуры заметную роль может играть термодиффузия, стремящаяся перенести тяжелые элементы с высоким зарядом и большой массой из холодных областей газа в горячие. Несмотря на то, что роль последней признана в физике звезд сравнительно давно, в случае скоплений галактик по ряду причин ее исключали из рассмотрения. В работе было продемонстрировано, что термодиффузия может играть значительную роль и в скоплениях галактик. Учет термодиффузии приводит к тому, что вместо оседания тяжелых элементов к центру скопления под действием силы тяжести, наблюдается гораздо более сложная картина с формированием профиля металличности с рядом пиков и депрессий. В частности, в центральных областях скоплений галактик с холодным ядром термодиффузия может успешно противостоять гравитационной силе, что приводит к оттоку тяжелых элементов и формированию депрессии в распределении тяжелых элементов. Этот неучтенный ранее эффект может пролить свет на ряд проблем в физике скоплений галактик, таких как, к примеру, проблема потоков охлаждения.

Опубликовано в:

P.Shtykovskiy, M.Gilfanov, «Thermal diffusion in the intergalactic medium of clusters of galaxies», 2009, MNRAS.tmp.1763S

Резонансное рассеяние излучения рентгеновских эмиссионных линий от горячего газа в скоплениях галактик и эллиптических галактиках.

Используя рентгеновские спектры высокого разрешения от ярчайших эллиптических галактик исследовано влияние резонансного рассеяния на линию железа FeXVII (λ 15 Å). Подавление потока в резонансной линии в наблюдаемых спектрах (по сравнению со случаем оптически тонкой плазмы) позволяет ограничить характерную амплитуду движений газа. Расчеты радиационного переноса в линиях показали, что характерные скорости не превышают 100 км/с на масштабе ~1 кпс, что соответствует вкладу движений на уровне 5-10% от тепловой энергии газа.

Рис.3. Спектр высокого разрешения рентгеновского излучения центральной области галактики NGC4636 (слева), полученный с помощью диффракционной решетки телескопа XMM-Newton. Сплошной линией показана теоретическая модель спектра излучения оптически тонкой плазмы. Линия FeXVII должна иметь заметную оптическую толщу если отсутствуют движения газа. На правом рисунке показана ожидаемая степень подавления поверхностной яркости в линии за счет резонансного рассеяния (теоретическая модель) для разных амплитуд движений газа.

Представлено в:

Werner, N., Zhuravleva, I., Churazov, E., Simionescu, A., Allen, S. W.,Forman, W., Jones, C.,& Kaastra, J. S.,  "Constraints on turbulent pressure in the X-ray haloes of giant elliptical galaxies from resonant scattering", MNRAS, 398,  23,  2009

Апериодическая переменность излучения аккрецирующих двойных систем в рентгеновском и оптическом диапазонах и ее использование для определения физических параметров аккрецирующих объектов

Проведены систематические исследования апериодической переменности аккрецирующих двойных систем (с замагниченными компактными объектами) в рентгеновском и оптическом диапазонах при помощи инструментов орбитальной обсерватории РХТЕ и оптических телескопов Российско-турецкого РТТ150 и САЛТ и Рэдклиф Южноафриканской астрономической обсерватории. В работе, посвященной исследованиям переменности рентгеновского излучения показано, что у всех исследованых рентгеновских пульсаров зависимость амплитуды переменности от Фурье-частоты испытывает слом в области, соответствующей частоте обращения вещества аккреционного диска на Кеплеровской орбите на границе магнитосферы компактного объекта (для тех объектов, у которых можно сделать оценку размера магнитосферы). Было проведено аналогичное исследование переменности излучение аккрецирующих белых карликов в оптическом спектральном диапазоне. В этой области электромагнитного спектра переменность излучения объектов возникает в результате переработки их рентгеновского излучения в аккреционном диске или на поверхности белых карликов. Так же обнаружен слом в спектрах мощности их переменности в области частот, соответствующих частоте обращения вещества аккреционного диска на Кеплеровской орбите на границе магнитосферы компактного объекта. Таким образом, характеристики апериодической переменности излучения объектов дают возможность измерят размер магнитосферы, и, следовательно, величины магнитных полей компактных объектов (нейтронных звезд и белых карликов).

Представлено в:

Revnivtsev M., Churazov E., Postnov K., Tsygankov S., 2009, arXiv, arXiv:0909.2996 "Quenching of the accretion disk strong aperiodic variability at the magnetospheric boundary", принята к печати Astronomy & Astrophysics

Исследование с высоким угловым разрешением близких групп галактик

По данным обсерватории Чандра проведено систематическое исследование 43 близких групп галактик с температурами 0.7—2.7 кэВ. Показано, что, несмотря на большие отличия в центральных областях, на больших радиусах, r>0.15r_500, профили температуры согласуются с предположением об их автомодельности. Оказывается, что измеряя температуру а массу газа во внешних областях скоплений можно получить надежные измерения их масс.

Представлено в:

E.Churazov, S.Tremaine, W.Forman, O.Gerhard, P.Das, A.Vikhlinin, C.Jones, H.Bohringer, K.Gebhardt, 2009, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (submitted)

Черные дыры промежуточных масс в центрах шаровых звездных скоплений

В pаботе рассмотрена возможность регистрации чеpных дыp промежуточных масс (10³ - 10⁴ MSun), существование котоpых в центpах некотоpых шаpовых скоплений пpедполагается из оптических и инфpакpасных наблюдений, используя точное хронометрирование вpемен пpихода импульсов известных на сегодняшний день миллисекундных пульсаpов в шаpовых скоплениях. Показано, что регистрация такого временного запаздывания современными инструментами для известных пульсаров является возможна только при массе черной дыры >10⁴ MSun.

Результаты представлены в:

Ларченкова Т.И. Лутовинов А.А. "Могут ли известные миллисекундные пульсары помочь в обнаружении черных дыр промежуточных масс в центрах шаровых звездных скоплений?" Письма в АЖ, 35, №4, 265-271

Larchenkova T.I., Lutovinov A.A. "The precise timing of millisecond pulsars as a tool for the search of intermediate mass black holes in globular clusters", Proceedings of XXI Rencontres de Blois "Windows in the Universe", 2009 (submitted)

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

Исследование внутреннего строения активных ядер галактик на основе локальной выборки объектов из жесткого рентгеновского обзора неба обсерватории ИНТЕГРАЛ

Продолжающийся на обсерватории ИНТЕГРАЛ обзор всего неба в жестких рентгеновских лучах (Кривонос и др. 2007) позволил получить уникальную выборку близких АЯГ (Сазонов и др. 2007), практически не подверженную влиянию поглощения излучения на луче зрения. Данная статистически полная выборка АЯГ впервые позволяет систематически исследовать зависимость основных характеристик АЯГ от колонки поглощения на луче зрения, светимости АЯГ, массы черной дыры, темпа аккреции и других параметров и, как следствие, получить сведения о таких ключевых аспектах физики активных ядер галактик, как структура газопылевого тора/диска и области излучения в узких линиях.

В ходе продолжающегося исследования были выполнены и обработаны оптические и инфракрасные наблюдения сейфертовских галактик из обзора обсерватории ИНТЕГРАЛ на российско-турецком телескопе РТТ-150 и американском телескопе Спитцер. Исследована корреляция между светимостью АЯГ в среднем инфракрасном и жестком рентгеновском диапазонах энергий. Сделан вывод о том, что в горячей короне аккреционного диска выделяется значительная и практически постоянная доля полной светимости аккрецирующих массивных черных дыр. В то же время, характерный угол раскрытия газопылевого тора, перехватывающего часть излучения аккреционного диска, сильно зависит от светимости АЯГ. Не выявлено тесной корреляции между потоками излучения в узких оптических линиях и жестком рентгеновском диапазоне энергии.

Результаты представлены в приглашенном докладе на конференции “The Extreme Sky: Sampling the Universe above 10 keV“, в г. Отранто, Италия, 13-17 октября 2009 г.

Детальное исследование временных и спектральных характеристик рентгеновских пульсаров

Впервые были подробно исследованы временные характеристики жесткого рентгеновского излучения (>20 кэВ) десяти ярких рентгеновских пульсаров, наблюдавшихся обсерваторией ИНТЕГРАЛ. Многократные наблюдения этих объектов в 2003-2007 гг позволили провести измерения периодов пульсаций, проследить их эволюцию со временем и собственной светимостью. Было показано, что профили импульса могут существенным образом зависеть как от энергетического диапазона, так и светимости источника, что, принимая во внимание жесткий диапазон исследуемых энергий и отсутствие влияния поглощения, связано непосредственно с изменениями физических и геометрических условий в областях формирования излучения. В результате был создан каталог профилей импульса в пяти жестких энергетических каналах (20-30, 30-40, 40-50, 50-70 и 70-100 кэВ) для всех возможных наблюдавшихся состояний и светимостей конкретных источников. Данный каталог может в дальнейшем быть использован при построении и проверке моделей излучения рентгеновских пульсаров, а также для разных прикладных целей. Кроме того, впервые была исследована зависимость доли пульсирующего излучения (ДПИ) от светимости и энергетического диапазона и показано, что для всех пульсаров ДПИ растет с увеличением энергии; при этом этот рост во многих случаях является не монотонным, демонстрируя локальные особенности вблизи гармоник циклотронной линии, что, скорее всего, обусловлено влиянием резонансного поглощения.

Особый интерес вызывает поведение наблюдательных особенностей в излучении рентгеновских пульсаров на энергиях, близких к циклотронной. В работе Цыганкова, Лутовинова и Сербера (2009) представлены результаты детального анализа данных обсерватории RXTE, полученных во время мощнейшей вспышки от транзиентного рентгеновского пульсара V 0332+53 в 2004--2005 годах. Впервые удалось исследовать свойства пульсара во время фазы роста вспышки. Сравнение параметров излучения и их эволюции со светимостью во время фазы роста и спада всплеска позволило исключить наличие гистерезиса для всех наблюдаемых свойств пульсара. В частности, показано, что энергия циклотронной линии поглощения в спектре пульсара линейно падает с ростом светимости источника на всех фазах всплеска с практически идентичным наклоном. Авторам удалось поставить жесткие ограничения на величину магнитного поля на поверхности нейтронной звезды (около 3.1 х 10¹² Гс). Комплексные исследования также были выполнены для зависимостей доли пульсирующего излучения и формы профиля импульса от энергии фотонов и светимости пульсара.

Результаты представлены в:

Лутовинов А.А., Цыганков С.С. «Временные характеристики жесткого излучения ярких рентгеновских пульсаров по данным обсерватории  ИНТЕГРАЛ». Письма в АЖ, 35, 483-506 (2009)

Completing the puzzle of the 2004-2005 outburst in V0332+53: the brightening phase included Tsygankov S. S., Lutovinov A. A., Serber A. V. Принята к печати в MNRAS (arXiv:0909.5379)

Lutovinov A., Tsygankov S. "X-RAY PULSARS: A VIEW FROM CURRENT COSMIC OBSERVATORIES", Proceedings of XXI Rencontres de Blois "Windows in the Universe", 2009 (submitted)

Тема РТТ-150 Подготовка и реализация научных программ наблюдений на оптическом телескопе РТТ150.

Гос. регистрация №01.20.0307395

Научный руководитель д.ф.-м.н. А.А. Вихлинин.

Наблюдения скоплений галактик

Продолжены оптические наблюдения скоплений галактик с рентгеновскими потоками ниже текущего предела обзора 400d на телескопах РТТ-150, Датский1.54-м и БТА с целью расширения каталога скоплений.

Жесткие рентгеновские источники

Получены оптические отождествления для нескольких новых жестких рентгеновских источников обсерватории ИНТЕГРАЛ. Среди них были обнаружено несколько новых близких активных ядер галактик, рентгеновские двойные системы и катаклизмические переменные.

Представлено в:

Р. А. Буренин, И. Ф. Бикмаев, М. Г. Ревнивцев, Дж. А. Томсик, С. Ю. Сазонов, М. Н. Павлинский, Р. А. Сюняев, «Оптическое отождествление жесткого рентгеновского источника IGR J18257-0707», 2009, Письма в астрономический журнал, т. 35, с. 83

М. Г. Ревнивцев, А. Ю. Князев, С. Ю. Сазонов, Р. А. Буренин, А. Текола, Д. А. Х. Бакли, М. Л. Преториус, Дж. Менз ис, У. Лоусон, «Оптическое отождествление источника IGR J08390-4833 из обзора всего неба обсерватории ИНТЕГРАЛ», 2009, Письма в астрономический журнал, т. 35, с. 37

Космические гамма-всплески

На телескопе РТТ-150 проведены наблюдения оптических послесвечений десяти космических гамма-всплесков. По результатам этих наблюдений опубликовано 10 циркуляров GCN.

Представлено в

Р. Буренин, А. Ткаченко, А. Мещеряков, М. Павлинский, Р. Сюняев и др., 10 циркуляров GCN, по результатам наблюдений оптических послесвечений комических гамма-всплесков