Astronet > Rentgenovskie pul'sary

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Rentgenovskie pul'sary

- istochniki peremennogo periodicheskogo rentg. izlucheniya, predstavlyayushie soboi vrashayushiesya neitronnye zvezdy s sil'nym magn. polem, izluchayushie za schet akkrecii (padeniya veshestva na ih poverhnost'). Magn. polya na poverhnosti R.p. ~ 10₁₁-10₁₄ Gs. Svetimosti bol'shinstva R.p. ot 10³⁵-10³⁹ erg/s. Periody sledovaniya impul'sov P ot 0,7 s do nesk. tysyach s. R.p. vhodyat v tesnye dvoinye zvezdnye sistemy, vtorym komponentom k-ryh yavl. normal'naya (nevyrozhdennaya) zvezda, postavlyayushaya veshestvo, neobhodimoe dlya akkrecii i norm. funkcionirovaniya R.p. Esli vtoroi komponent nahoditsya na stadii evolyucii, kogda skorost' poteri massy (etim komponentom) mala (sm. Evolyuciya tesnyh dvoinyh zvezd), neitronnaya zvezda ne proyavlyaet sebya kak R.p. Rentg. pul'sary vstrechayutsya kak v massivnyh molodyh dvoinyh zvezdyh sistemah, otnosyashihsya k naseleniyu I Galaktiki i lezhashih v ee ploskosti, tak i v malomassivnyh dvoinyh sistemah, otnosyashihsya k naseleniyu II i prinadlezhashih k sferich. sostavlyayushei Galaktiki. R.p. otkryty takzhe v Magellanovyh Oblakah. Vsego otkryto ok. 20 R.p.

Na nachal'nom etape issledovanii otkryvaemym rentg. ob'ektam prisvaivalis' naimenovaniya po sozvezdiyam, v k-ryh oni nahodyatsya. Napr., Gerkules X-1 oznachaet pervyi po rentg. yarkosti ob'ekt v sozvezdii Gerkulesa, Kentavr H-3 - tretii po yarkosti v sozvezdii Kentavra. R.p. v Malom Magellanovom Oblake oboznachaetsya kak SMC X-1, v Bol'shom Magellanovom Oblake - LMC X-4. Obnaruzhenie so sputnikov bol'shogo chisla rentg. istochnikov potrebovalo dr. sistemy oboznachenii. Napr., 4U 1900-40 sootvetstvuet oboznacheniyu R.p. Parusa H-1 v chetyvertom kataloge "Uhuru". Pervye chetyre cifry oboznachayut pryamoe voshozhdenie (19 ch 00 min), a vtorye dve vmeste so znakom dayut sklonenie ob'ekta. Analogichnyi smysl imeyut cifry v oboznachenii istochnikov, otkrytyh sputnikom "Ariel'" (Velikobritaniya), napr. A 0535+26. Oboznacheniya tipa GX 1+4 otnosyatsya k istochnikam v central'noi oblasti Galaktiki. Cifry sootvetstvuyut galaktich. koordinatam (sm. Koordinaty astronomicheskie) l i b (v dannom sluchae l=1^o, b=+4^o). Upotreblyayutsya i dr. oboznacheniya. Tak, otkrytyi s borta sovetskih AMS "Venera-11, -12" v eksperimente "Konus" vspyhivayushii R.p. s periodom 8 s (sm. Gamma-vspleski) poluchil naimenovanie FXP 0520-66.

Peremennost' izlucheniya R.p.

Ris. 1. Zapis' izlucheniya rentgenovskogo pul'sara
Kentavr H-3, poluchennaya so sputnika "Uhuru" 7 maya 1971 g.
Po vertikal'noi osi - chislo otschetov za vremennoi
interval 1 bin=0,096 s, po gorizontal'noi - vremya v
binah. Registriruemyi potok maksimalen, kogda istochnik
nahoditsya v centre polya zreniya schetchika, ogranichennogo
kollimatorom. Iz-za vrasheniya sputnika registriruemyi
srednii potok snachala narastaet, a zatem spadaet. Na etu
prostuyu zavisimost' ot vremeni nalozheny periodicheskie
pul'sacii, svyazannye s sobstvenoi peremennost'yu istochnika.

Korotkoperiodicheskaya peremennost' rentg. izlucheniya R.p. illyustriruet ris. 1, na k-rom privedena zapis' izlucheniya odnogo iz pervyh otkrytyh R.p. - Kentavr H-3 (mai 1971 g., sputnik "Uhuru", SShA). Period sledovaniya impul'sov P=4,8 s.

Ris. 2. Dolgoperiodicheskaya peremennost'
rentgenovskogo izlucheniya istochnika Kentavr H-3
(nizhnii grafik, N - chislo otschetov, s^-1). Vidny
harakternye rentgenovskie zatmeniya. Na verhnem
grafike privedeny izmeneniya perioda P,
dokazyvayushie dvizhenie pul'sara vokrug centra
mass dvoinoi sistemy ( $A\approx 1,387\cdot$ 10^-3).

Na ris. 2 pokazana dolgoperiodich. peremennost' R.p. Kentavr H-3. Raz v dvoe sutok R.p. periodicheski "ischezaet" (zatmevaetsya) na 11 ch (nizhnii grafik). Tshatel'nye issledovaniya pokazali takzhe, P zavisit ot fazy dvuhdnevnogo perioda T=2,087 sut po garmonich. zakonu (verhnii grafik): $\Delta P/P = A\cos [2\pi(t-t_0)/T]$ , gde $\Delta P=P-P_0$ - izmenenie P, P₀ - nevozmushennoe znachenie P, A - amplituda otnosit. izmeneniya P, t₀ sootvetstvuet odnomu iz momentov, kogda otklonenie perioda maksimal'no. Eti dva fakta interpretiruyutsya odnoznachno: R.p. vhodit v dvoinuyu sistemu s orbital'nym periodom, ravnym T. "Ischeznoveniya" ob'yasnyayutsya zatmeniyami R.p. vtorym komponentom dvoinoi sistemy. Po prodolzhitel'nosti zatmeniya mozhno sdealt' vyvod o tom, chto vtoroi (zatmevayushii) komponent zapolnyaet svoyu kriticheskuyu polost' Posha. Periodich izmeneniya P obuslovleny Doplera effektom pri orbital'nom dvizhenii R.p. vokrug centra massdvoinoi sistemy. Amplituda izmeneniya perioda $A=(v/c)\sin i$ , gde i - ugol nakloneniya orbity dvoinoi sistemy (v etoi sisteme blizok k 90^o), v - skorost' orbital'nogo dvizheniya R.p.; vsin i=416 km/s, ekscentrisitet orbity mal. Rentg. zatmeniya obnaruzheny daleko ne vo vseh dvoinyh sistemah s R.p. (dlya nablyudeniya zatmenii neobhodimo, chtoby luch zreniya byl blizok k ploskosti orbity dvoinoi sistemy), a periodich. izmeneniya P - v bol'shinstve dvoinyh sistem s R.p.

Posle otkrytiya R.p. v ego okrestnosti obychno bystro nahodyat peremennuyu optich. zvezdu (vtoroi komponent dvoinoi sistemy)Yu blesk k-roi menyaetsya s periodm, ravnym orbital'nomu ili v dva raza men'shim (sm. nizhe). Krome togo, spektr. linii optich. komponenta ispytyvayut doplerovskii sdvig, periodicheski izmenyayushiisya s orbital'nym periodom vdoinoi sistemy. Optich. peremennost' dvoinyh sistem s R.p. obuslovlena dvumya effektami. Pervi effekt (effekt otrazheniya) nablyudaetsya v sistemah, v k-ryh svetimost' optich. zvezdy men'she svetimosti R.p. Storona zvezdy, obrashennaya k R.p., progrevaetsya ego rentg. izlucheniem i v optich. luchah okazyvaetsya yarche, chem protivopolozhnaya storona. Vrashenie dvoinoi sistemy privodit k tomu, chto nablyudaetsya to bolee yarkaya, to menee yarkaya storona zvezdy. Takoi effekt naibolee otchetlivo proyavlyaetsya v sisteme, vklyuchayushei R.p. Gerkules H-1 i zvezdu HZ Gerkulesa. Na ed. poverhnosti etoi zvezdy, obrashennoi k rentg. istochniku, padaet v tridcat' raz bol'she enegrii v vide rentg. izlucheniya, chem postupaet iz nedr zvezdy. V rezul'tate amplituda optich. peremennosti prevyshaet 2^m v fil'tre B. Chast' rentg. izlucheniya otrazhaetsya atmosferoi zvezdy, no osn. dolya pogloshaetsya eyu i pererabatyvaetsya v optich. izluchenie. Eto izluchenie slabo pul'siruet s periodom P. Chast' energii uhodit na effektivnoe nagrevanie veshestva na poverhnosti, soprovozhdayusheesya formirovaniem t.n. inducirovannogo zvezdnogo vetra.

Vtoroi effekt, nazyvaemyi effektom ellipsoidal'nosti, svyazan s tem, chto forma zvezdy, zapolnyayushei kritich. polost' Rosha, zametno otlichaetsya ot sfericheskoi. V rezul'tate dva raza za orbital'nyi period k nablyudatelyu obrashena bol'shaya chast' poverhnosti i dva raza men'shaya. Takaya peremennost' s periodom, vdvoe men'shim orbital'nogo perioda dvoinoi sistemy, nablyudaetsya v dvoinyh sistemah, gde svetimost' optich. komponenta namnogo prevyshaet rentg. svetimost' R.p. V chastnosti, imenno blagodarya takoi peremennosti byl otkryt normal'nyi komponent istochnika Kentavr H-3.

Akkreciya na neitronnuyu zvezdu s sil'nym magnitnym polem.
V tesnyh dvoinyh zvezdnyh sistemah vozmozhny dva osn. tipa akkrecii: diskovaya i sfericheski-simmetrichnaya. Esli peretekanie veshestva idet preimushestvenno cherez vnutr. tochku Lagranzha, to peretekayushee veshestvo obladaet znachit. ud. momentom kolichestva dvizheniya i vokrug neitronnoi zvezdy obrazuetsya akkrecionnyi disk. Esli norm. zvezda teryaet veshestvo posredstvom zvezdnogo vetra, to vozmozhno formirovanie udarnoi volny i blizkaya k sfericheski-simmetrichnoi akkrecii za nei.

Ris. 3. Uproshennaya kartina akkrecii na zamagnichennuyu
neitronnuyu zvezdu v dvoinoi sisteme. Gaz postupaet k
zvezde kak v geometricheski tonkom diske, tak i
sfericheski-simmetrichnym obrazom. Real'naya magnitosfera
imeet bolee slozhnuyu formu, chem izobrazheno na ris. a
( $\Omega$ , M - uglovaya skorost' vrasheniya i magnitnyi
moment neitronnoi zvezdy). Usloviya vmorazhivaniya plazmy
v magnitosferu blagopriyatny ne na vsei ee poverhnosti.
Vmorozhennaya plazma techet vdol' linii k magnitnym
polyusam (strelki). Vblizi polyusov akkrecionnyi kanal
predstavlyaet soboi nezamknutyi venec (b).

Svobodnoe padanie (pri sfericheski-simmetrichnoi akkrecii) vozmozhno lish' na bol'shih rasstoyaniyah ot zvezdy. Vblizi radiusa R_M~ 100-1000 km (radius magnitosfery) davlenie magn. polya neitronnoi zvezdy $H^2/8\pi\sim R^{-6}$ sravnivaetsya s davleniem akkreciruyushego potoka veshestva $\rho V^2\sim R^{-5/2}$ i ostanavlivaet ego. V zone R < R_M formiruetsya zamknutaya magnitosfera neitronnoi zvezdy (ris. 3, a), vblizi R_M voznikaet udarnaya volna, v k-roi plazma ohlazhdaetsya izlucheniem R.p. za schet komptonizacii. Blagodarya Releya-Teilora neustoichivosti stanovitsya vozmozhnym proniknovenie kapel' plazmy vnutr' magnitosfery, gde proishodit ih dal'neishee droblenie i vmorazhivanie v magn. pole. Magn. pole kanaliziruet potok akkreciruyushei plazmy i napravlyaet ee v oblast' magn. polyusov (ris. 3, b). Zona, na k-ruyu vypadaet veshestvo, po-vidimomu, ne prevyshaet po ploshadi 1 km². Na poverhnosti neitronnoi zvezdy gravitac. energiya svyazi na ed. massy $\eta\sim 0,15 c^2$ , potok vypadayushego veshestva, neobhodimyi dlya podderzhaniya svetimosti L_X ~ 10₃₅-10₃₉ erg/s R.p. raven $\dot{\mathfrak M}\sim L_X/\eta\sim 10^{15}-10^{19} \mbox{g/s}=10^{-11}-10^{-7} {\mathfrak M}_\odot$ v god. Na 1 sm² poverhnosti vypadaet bolee tonny veshestva v sekundu. Skorost' svobodnogo padeniya sostavlyaet 0,4 c, pri etom kinetich. energiya padayushego protona vblizi poverhnosti neitronnoi zvezdy dostigaet 140 MeV.

V R.p. so svetimost'yu L_X < 10₃₆ erg/s padayushie protony i elektrony tormozyatsya v atmosfere (obrazovannoi veshestvom, vypavshim na neitronnuyu zvezdu za nichtozhnye doli sekundy do etogo) za schet yadernyh i kulonovskih stolknovenii. Vydelyayushayasya energiya izluchaetsya sloem, poverhnostnaya plotnost' k-rogo ok. 10-20 g/sm², a tolshina nesk. metrov. Sushestvuet predpolozhenie, chto mozhet vozniknut' tonkaya (neskol'ko sm) besstolknovitel'naya udarnaya volna, v k-roi budet vydelyat'sya vsya kinetich. energiya akkreciruyushego potoka.

V R.p. so svetimost'yu, blizkoi k $5\cdot 10^{36}$ erg/s, kolossal'noe energovydelenie v zone magn. polyusov privodit k tomu, chto sila davleniya izlucheniya na padayushie elektrony sposobna ostanovit' potok akkreciruyushego veshestva. Vblizi poverhnosti neitronnoi zvezdy (na vysote 1 m) mozhet sformirovat'sya radiacionno-dominirovannaya udarnaya volna. V takoi udarnoi volne davlenie izlucheniya namnogo prevyshaet davlenie plazmy. Padayushie na zvezdu elektrony tormozyatsya siloi davleniya izlucheniya, obuslovlennoi tomsonovskim rasseyaniem izlucheniya, idushego snizu. Odnovremenno ostanavlivayutsya svyazannye s elektronami elestrostatich. silami protony, nesushie osnovnuyu kinetich. energiyu. Eta energiya rashoduetsya na uvelichenie energii fotonov, vsledstvie ih mnogokratnyh rasseyanii na vysokoskorostnyh elektronah (komptonizacii). Chast' "zhestkih" fotonov uhodit k nablyudatelyu, a chast' popadaet v plotnye sloi atmosfery (neitronnoi zvezdy), nagrevaya ee. V etih sloyah vsledstvie tormoznogo izlucheniya rozhdayutsya mnogochislennye "myagkie" fotony, k-rye (ispytyvaya tomsonovskoe rasseyanie na padayushih elektronah) i tormozyat padayushee veshestvo.

Ris. 4. Profili impul'sov ryada rentgenovskih pul'sarov.
Privedeny intervaly energii, dlya k-ryh polucheny dannye,
i periody P.

Esli svetimost' R.p. prevyshaet 10³⁷ erg/s, to nad poverhnost'yu neitronnoi zvezdy v raione magn. polyusov formiruetsya akkrecionnaya kolonka. Radiacionno-dimonirovannaya udarnaya volna voznikaet na bol'shoi vysote nad poverhnost'yu neitronnoi zvezdy (sotni metrov i dazhe kilometry). V nei proishodit tormozhenie potoka. Pod udarnoi volnoi osushestvlyaetsya rezhim osedaniya. Izluchenie uhodit cherez bokovuyu poverhnost' kolonki, veshestvo zhe v nei medlenno osedaet, vydelyaya gravitac. energiyu, prevrashayushuyusya v teplo i izluchenie. Silam gravitacii protivodeistvuet gradient davleniya izlucheniya, zapertogo v radiacionno-dimonirovannoi kolonke. Akkrecionnaya kolonka mozhet obespechit' svetimost', namnogo prevyshayushuyu kriticheskuyu svetimost', t.k. s bokov kolonka uderzhivaetsya magn. polem, a ne silami gravitacii. Bolee togo, esli magn. pole neitronnoi zvezdy prevyshaet 10¹³ Gs, to v osnovanii kolonki temp-ra plazmy dostigaet 10¹⁰ K. Pri takih temp-rah proishodyat processy rozhdeniya i annigilyacii elektron-pozitronnyh par. Neitrino, obrazuyushiesya v reakciyah $e^+ +e^- \to \nu +\tilde{\nu}$ , unosyat osn. dolyu svetimosti. Rentg. svetimost' (prevyshayushaya kriticheskuyu) sostavlyaet maluyu dolyu neitrinnoi svetimosti $L_\nu=\eta \dot{\mathfrak M}$ . Otmetim v svyazi s etim sushestvovanie R.p. SMC X-1 i LMC X-4, imeyushih rentg. svetimosti ~ 10³⁹ erg/s, t.e. namnogo prevyshayushie kriticheskuyu. Eti ob'ekty imeyut, po-vidimomu, i znachitel'nuyu neitrinnuyu svetimost'. Izluchaemye neitrino progrevayut nedra neitronnoi zvezdy i, pogloshayas' v nedrah norm. komponenta dvoinoi sistemy, dayut malyi vklad v ego optich. svetimost'. Potok akkreciruyushego veshestva v takih ob'ektah mozhet dostigat' $10^{-6}-10^{-5} {\mathfrak M}_\odot$ v god. V etom sluchae vozmozhna situaciya, kogda za 10⁶-10⁵ let raboty R.p. na neitronnuyu zvezdu vypadet ok. $1 {\mathfrak M}_\odot$ veshestva, budet prevyshen predel ustoichivosti dlya neitronnyh zvezd, proizoidet gravitacionnyi kollaps, soprovozhdayushiisya vzryvom sverhnovoi redko vstrechayushegosya tipa i obrazovaniem chernoi dyry. Eto mozhet proizoiti lil' pri diskovoi akkrecii, kogda davlenie izlucheniya ne prepyatstvuet akkrecii na bol'shih rasstoyaniyah ot tyagoteyushego centra.

Ris. 5. Zavisimost' profilya pul'sarov ot energii dlya dvuh
rentgenovskih pul'sarov.

Formirovanie profilei impul'sov i spektry izlucheniya R.p.
Vydelenie energii v ogranichennoi zone vblizi polyusov neitronnoi zvezdy v sovokupnosti s ee vrasheniem privodit k fenomenu pul'sara: nablyudatel' vidit izluchayushuyu zonu pod raznymi uglami i prinimaet peremennyi vo vremeni potok rentg. izlucheniya. Period P raven periodu vrasheniya neitronnoi zvezdy. Nalichie sil'nogo magn. polya mozhet privodit' k napravlennosti izlucheniya. V zavisimosti ot sootnosheniya mezhdu energiei fotonov, napryazhennost'yu magn. polya i temp-roi plazmy mogut formirovat'sya kak karandashnaya, tak i nozhevaya diagrammy napravlennosti. Vazhneishim parametrom yavl. girochastota (ciklotronnaya chastota) elektrona $\nu_H=eH/2\pi m_e c$ . Stepen' napravlennosti yavl. funkciei otnoshenii $\nu/\nu_H$ i $kT_e /\nu_H$ . Diagramma napravlennosti opredelyat formu profilya impul'sov R.p. Profili impul'sov ryada R.p. privedeny na ris. 4. Vid profilei mnogih Rp. izmenyaetsya s uvelicheniem energii fotonov (ris. 5).

Ris. 6. Spektry ryada rentgenovskih pul'sarov.
Zametna rentgenovskaya liniya zheleza s $h\nu\approx 6,5-7$ keV

Spektr izlucheniya neitronnoi zvezdy dolzhen byt' mnogokomponentnym. Izluchayut udarnaya volna, akkrecionnaya kolonka, poverhnost' neitronnoi zvezdy vblizi osnovaniya kolonki, plazma, tekushaya po magnitosfere k polyusam neitronnoi zvezdy. Eta plazma pogloshaet zhestkoe izluchenie kolonki i pereizluchaet ego v myagkom rentg. diapazone kak v kontinuume, tak i v rentg. liniyah (harakteristicheskih i rezonansnyh) ionov tyazhelyh elementov. Spektry (ris. 6) reshayushim obrazom zavisyat ot svetimosti R.p. i napryazhennosti magn. polya, poetomu oni sil'no otlichayutsya drug ot druga.

Esli potoki plazmy na magnitosfere R.p. vysokoi svetimosti ne pokryvayut vsyu ee poverhnost', to obrazuyutsya "okna", v k-pye svobodno vyhodit zhestkoe izluchenie, v to vremya kak drugie napravleniya dlya nego zakryty iz-za bol'shoi optich. tolshi potokov plazmy. Vrashenie neitronnoi zvezdy dolzhno privodit' k pul'saciyam izlucheniya. Eto eshe odin mehanizm formirovaniya profilya rentgenovskih impul'sov.

Ris. 7. Zavisimost' perioda P (v s) ot vremeni dlya
ryada rentgenovskih pul'sarov.

Vazhneishim etapom v izuchenii R.p. yavilos' otkrytie gruppoi I. Tryumpera iz Instituta vneatmosfernoi astronomii obshestva im. Maksa Planka (FRG) girolinii v spektre R.p. Gerkules H-1 (ris. 8). Nalichie girolinii (spektr. linii, obuslovlennyh ciklotronnym izlucheniem libo poglosheniem elektronov) bylo predskazano Yu.N. Gnedinym i R.A. Syunyaevym. Otkrytie girolinii dalo metod pryamogo eksperimental'nogo opredeleniya magn. polei neitronnyh zvezd.

Ris. 8. Uchastok spektra rentgenovskogo pul'sara
Gerkules H-1. Otchetlivo vidna giroliniya s
$h\nu_H=56$ keV. Menee uverenno opredelyaetsya
vtoraya garmonika s $h\nu=2h\nu_H$ .

Giroliniya v spektre R.p. Gerkules H-1 sootvetstvuet $h\nu_H$ =56 keV. Sledovatel'no, v sootvetstvii s sootnosheniem $h\nu_H=1,1 (H/10^{11}$ Gs) keV, napryazhennost' magn. polya na poverhnosti neitronnoi zvezdy $\approx 5\cdot 10^{12}$ Gs.

Uskorenie i zamedlenie vrasheniya neitronnyh zvezd.
V otlichie ot radiopul'sarov (nek-rye iz k-ryh, v chastnosti pul'sary v Krabe i Parusah, izluchayut i v rentg. diapazone, sm. Pul'sary), izluchayushih za schet energii vrasheniya zamagnichennoi neitronnoi zvezdy i uvelichivashih svoi period so vremenem, R.p., izluchayushie za schet akkrecii, uskoryayut svoe vrashenie. Deistvitel'no, pri diskovoi akkrecii veshestvo, vypadayushee na magnitosferu, imeet zametnyi ud. moment kolichestva dvizheniya. Vmorazhivayas' v magn. pole, akkreciruyushaya plazma dvizhetsya k poverhnosti zvezdy i peredaet ei svoi moment kolichestva dvizheniya. V rezul'tate vrashenie zvezdy uskoryaetsya i period sledovaniya impul'sov umen'shaetsya. Etot effekt nablyudaetsya u vseh R.p. (ris. 7). Odnako inogda nablyudaetsya i zamedlenie vrasheniya. Eto vozmozhno v sluchae, esli izmenyaetsya temp akkrecii libo napravlenie momenta kolichestva dvizheniya akkreciruyushego veshestva. Sredi mehanizmov, privodyashih k uvelicheniyu perioda, obsuzhdaetsya t.n. propellernyi mehanizm. Predpolagaetsya, chto asimmetrichnaya magnitosfera neitronnoi zvezdy vrashaetsya v atmosfere, sozdannym akkreciruyushim s dozvukovoi skorost'yu gazom, pri etom generiruyutsya zvukovye i udarnye volny, vozbuzhdayutsya konvektivnye techeniya, otvodyashie moment kolichestva dvizheniya ot magnitosfery k zvezdnomu vetru, obtekayushemu neitronnuyu zvezdu.

(R.A. Syunyaev)

R. A. Syunyaev, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati