Пульсарные туманности в оптическом и инфракрасном диапазонах
На правах рукописи
ЗЮЗИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПУЛЬСАРНЫЕ ТУМАННОСТИ В ОПТИЧЕСКОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ Специальность 01.03.02 астрофизика и звездная астрономия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН и ФГБОУ ВПО Санкт Петербургском государственном политехническом университете.
Научный консультант: доктор физико-математических наук с.н.с. Шибанов Ю.А.
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Ю.Н.
Учреждение Российское академии наук Главная астрономическая обсерватория РАН;
доктор физико-математических наук, профессор Малов И.Ф.
Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН;
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория РАН
Защита состоится 29 декабря 2011 г. в на заседании диссертационного совета Д002.205.03 при Учреждении Россий ской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе.
Автореферат разослан 28 ноября 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д002.205. кандидат физико-математических наук Красильщиков А.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации Магнитосферы быстро вращающихся и сильно замагниченных нейтрон ных звезд (НЗ), наблюдаемых в качестве радио пульсаров, являются эффек тивными природными ускорителями заряженных частиц до релятивистских энергий, недостижимых даже на самых мощных ускорителях, построенных на Земле. Источником энергии таких природных ускорителей является вра щение нейтронной звезды. Ускоренные частицы излучают нетепловые фо тоны, которые детектируются с помощью наземных и космических телеско пов, в спектральном диапазоне от метрового радиодиапазона до нескольких тераэлектронвольт (ТэВ). Покидающие магнитосферу пульсара ускоренные частицы образуют так называемый пульсарный ветер, который распростра няется в окружающее пространство и несет с собой также и магнитное по ле. При взаимодействии пульсарного ветра с межзвёздной средой возникают ударные волны, на фронтах которых происходит дополнительное ускорение частиц. Излучение этих частиц, в основном синхротронной природы, наблю дается в виде протяженных объектов, которые принято называть туманно стями пульсарного ветра.
Классическим примером пульсарной туманности является Крабовидная туманность, которая имеет на рентгеновских и оптических изображениях яр ко выраженную торообразную структуру со струйными выбросами вдоль оси симметрии тора [1]. В этой и ряде других туманностей обнаружена достаточ но сильная стохастическая переменность на масштабах от нескольких часов до месяцев и лет. В частности, в Крабовидной туманности недавно детекти рованы два эпизода резкого повышения потока излучения в гамма диапазоне в 2-3 раза, длившиеся около суток [2, 3, 4]. Отдельные компактные струк туры туманности перемещаются со скоростями, близкими к скорости све та, что, по-видимому, свидетельствует о сильных магнитогидродинамических неустойчивостях пульсарного ветра. Из-за высокой энергетики пульсаров и пульсарных туманностей их часто рассматривают в качестве основных источ ников космических лучей сверхвысоких энергий, детектируемых на Земле и с помощью космических аппаратов таких как Pamela.
Многие детали механизмов ускорения частиц в магнитосферах пульсаров, образования пульсарного ветра, его структуры, переменности и взаимодей ствия с окружающей средой не вполне ясны. Поэтому ведутся интенсивные исследования этих объектов во всём наблюдаемом диапазоне длин волн [5, 6].
Наиболее перспективными являются наблюдения молодых пульсаров, кото рые находятся в остатках сверхновых и ещё не утратили высокую скорость вращения, полученную при их рождении в результате вспышки сверхновой.
С возрастом вращение тормозится из-за потерь на магнитодипольное излу чение нейтронной звезды и на генерацию пульсарного ветра. Вокруг доста точно старых пульсаров (с возрастом 105 лет) туманности вырождают ся или трансформируются в так называемые туманности головной ударной волны, образующейся из-за сверхзвукового движения нейтронной звезды в межзвёздной среде. Иногда также образуются туманности типа кометного хвоста.
Более 50-ти пульсарных туманностей было обнаружено в рентгеновском диапазоне (0.210 КэВ) [7], столько же в радио и порядка 25 в ТэВ диапазоне.
Однако, до начала работы над диссертацией всего две пульсарные туманно сти наблюдались в оптическом и инфракрасном (ИК) диапазонах: вокруг пульсара в Крабовидной туманности и вокруг пульсара PSR B054069.3 в остатке сверхновой в Большом Магеллановом Облаке (БМО). Эти две систе мы обладают схожими основными характеристиками (возраст, энергетика и период вращения пульсара;
морфология и размеры туманности), однако их многоволновые спектры имеют разный вид, сильно отличаясь друг от друга в оптическом и инфракрасном диапазонах, где они имеют существенно разный наклон [8]. Причина этих различий не вполне ясна. Для надежных выводов необходимы более детальные исследования и отождествления большого числа туманностей в оптическом и инфракрасном диапазонах. Необходимость рас ширения набора данных по пульсарным туманностям в данных диапазонах определяет актуальность темы диссертации.
Также актуальны наблюдения самих пульсаров в этих диапазонах. Их из лучение носит, в основном, нетепловой характер: спектр излучения аппрок симируется кусочно-степенным законом, с различными спектральными ин дексами в разных диапазонах. Анализ этого излучения актуален для иссле дования процессов, происходящих в магнитосферах HЗ.
НЗ являются достаточно слабыми оптическими объектами и в настоящее время в оптическом и ИК диапазонах обнаружено всего лишь 25 нейтронных звёзд из 2000 обнаруженных в других диапазонах [9]. Только 12 из них яв ляются пульсарами, излучающими за счет энергии вращения. Долгое время единственным детально исследованным объектом в оптическом и ИК диапа зонах был самый яркий пульсар, пульсар в Крабовидной туманности. Этот объект 16-ой звёздной величины наблюдался как в широкополосных филь трах, так и в спектральном режиме. Недавно также были получены спек тры пульсаров PSR B0656+14, Вела, Геминга и PSR J0437-4715. Остальные пульсары наблюдались лишь в одном или нескольких широких фильтрах, большей частью в голубой области видимого диапазона. Столь скромный на блюдательный материал (по сравнению, например, с сотней пульсаров, кото рые наблюдаются в рентгеновском и гамма диапазоне) не позволяет сделать определённых выводов о характере и механизмах излучения пульсаров в оп тическом диапазоне. Исследования, выполненные в данной работе, вносят дополнительный вклад в эту, пока ещё мало освоенную, область и потому весьма актуальны.
Цели работы 1. Поиск пульсаров и пульсарных туманностей в оптическом и инфракрасном диапазонах 2. Анализ распределения энергии излучения по спектру в данных диапазонах для этих объектов 3. Сравнение с данными, полученными в других диапазонах 4. Сравнительное исследование структуры пульсарных туманностей в инфра красном, оптическом и рентгеновском диапазонах Для выполнения поставленных целей использовались данные, полученные с использованием телескопов, которые обладают максимальными угловым разрешением и чувствительностью. В частности, были заказаны и прове дены наблюдения на телескопах Very Large Telescope (VLT), Nordic Optical Telescope (NOT) и Hubble Space Telescope (HST).
Научная новизна Работа основана на оригинальных впервые проведенных глубоких наблюде ниях полей пульсаров на телескопах VLT, NOT, HST и на неопубликованных архивных данных инфракрасных телескопов Spitzer и AKARI и рентгенов ского телескопа Chandra.
Торообразные пульсарные туманности вокруг молодых пульсаров PSR J0205+6449 и PSR J11245916 в остатках сверхновых 3C 58 и SNR G292.0+1.8 соответственно, впервые обнаружены в оптическом (0.4-0.9 мик рон), ближнем (1.65-2.15 микрон) и среднем (3.6-24 микрон) ИК диапазо нах. Впервые измерены потоки и проанализированы распределения энергии их излучения по спектру. Плерион, наблюдаемый в радио и рентгеновском диапазонах в остатке сверхновой 3C 58, впервые обнаружен в среднем ИК диапазоне. Оценены потоки излучения пульсаров, создающих эти пульсар ные туманности, в оптическом и ближнем ИК диапазонах. Впервые детально исследована структура пульсарной туманности B0540-69.3 в оптическом и рентгеновском диапазонах.
Исследования, проведенные в данной диссертации, увеличивают количе ство пульсарных туманностей, наблюдаемых в оптическом и ИК диапазонах, в два раза.
Достоверность результатов.
Представленные в диссертации результаты получены с использованием са мых современных и апробированных методов наблюдений, обработки и ана лиза данных. Уровень значимости всех детектируемых объектов существенно превышает 3. Также достоверность обеспечена сравнением результатов, где это возможно, с результатами других авторов и с данными в других диапа зонах.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Отождествление компактных торообразных частей пульсарных туманно стей вокруг пульсаров PSR J0205+6449 и PSR J11245916 в оптическом и ИК диапазонах. Обнаружение протяженной структуры, плериона, вокруг пуль сара PSR J0205+6449 в среднем ИК. Оценка потоков излучения пульсаров PSR J11245916 и PSR J0205+6449 в оптическом и ближнем ИК диапазонах.
2. Результаты анализа многоволновых спектров отождествленных пуль сарных туманностей (п.1).
3. Обнаружение яркой компактной структуры на оптических изображе ниях пульсарной туманности B054069.3 и отождествление этой структуры в рентгеновском диапазоне. Построение реалистичного многоволнового спек тра этой структуры с учетом межзвездного поглощения от Галактики, Боль шого Магелланового Облака и родительского остатка сверхновой. Построе ние спектра пульсара PSR B054069.3 и карты спектрального индекса всей пульсарной туманности в рентгеновском диапазоне.
Научная и практическая ценность работы Полученные наблюдательные данные пригодны для непосредственного срав нения с теоретическими моделями и с результатами других наблюдений. Ре зультаты данной работы могут применяться для теоретического моделирова ния излучения пульсарных туманностей, а также для планирования дальней ших более детальных наблюдений исследованных объектов и поиска других туманностей в оптическом и инфракрасном диапазонах.
Апробация работы и публикации Результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на все российских и международных конференциях: Всероссийская конференция "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра"(ИКИ, Москва, 2006, 2009, 2010), Physics of Neutron Stars – 2007 (С.-Петербург, 2007), MODE-SNR-PWN Workshop (Bordeaux, 2010), CompStar School and Workshop (Catania, 2011), Physics of Neutron Stars – 2011 (С.-Петербург, 2011);
ФизикА.СПб (С.-Петербург, 2011), на семинарах сектора теоретической аст рофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
Основное содержание диссертации опубликовано в четырех работах в ре ферируемых научных журналах и в материалах конференций, перечислен ных выше и в конце автореферата.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литера туры, содержит 123 страницы текста, в том числе 45 рисунков и 26 таблиц.
Список цитируемой литературы содержит 143 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дан краткий обзор состояния исследования пульсаров и пульсарных туманностей в оптическом и инфракрасном диапазонах на мо мент начала данной работы. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и научная новизна работы, достоверность результатов, практическая значимость и основные результаты, выносимые на защиту.
В Главе 1 освещены методические вопросы наблюдений пульсаров и пуль сарных туманностей. Описаны характеристики использовавшихся в работе телескопов и инструментов. Наблюдения проводились по нашим заявкам на телескопах NOT (Nordic Optical Telescope, 2.4 м), VLT (Very Large Telescope, 8.2 м) и HST (Hubble Space Telescope, 2.4 м) в оптических U BV RI и ближне инфракрасных HKs широкополосных фильтрах. Использовались данные в среднем ИК из архивов космических телескопов Spitzer и AKARI. Исполь зовались рентгеновские данные из архива космического телескопа Chandra.
Описаны методы редукции наблюдательных данных, особенности фотомет рии слабых объектов, абсолютной и относительной астрометрии.
Глава 2 посвящена исследованию пульсарной туманности вокруг пуль сара PSR J0205+6449 в остатке сверхновой 3C 58 в оптическом и инфра красном диапазонах. Результаты этого исследования опубликованы в рабо тах [1A, 5A, 8A]. В разделе 2.1 освещены предыдущие исследования этого объекта в разных диапазонах длин волн. Пульсар имеет период P = 65. миллисекунд [10], производную периода P = 1.93 1013, характеристи ческий возраст = P/2P 5400 лет, скорость потери энергии вращения E = 2.7 1037 эрг с1;
расстояние до него оценивается в 3.2 кпс. В разделе 2.2 описаны оригинальные наблюдения пульсарной туманности на телеско пе NOT, выполненные в 2006 году, в оптических широкополосных фильтрах BV, архивные инфракрасные и рентгеновские наблюдательные данные ор битальных телескопов Spitzer и Chandra, соответственно, и анализ данных.
В §2.2.1 описана обработка данных, включая первичную редукцию, фотомет рическую калибровку и астрометрическую привязку. В §2.2.2 представлены результаты анализа наблюдений. Торообразная часть пульсарной туманно сти 3C 58, видимая с ребра и обнаруженная ранее в рентгеновском диапазоне [11], впервые идентифицирована по положению (с точностью совпадения 0. 2) и морфологии в оптическом и инфракрасном диапазонах. Измерены потоки излучения и проанализирован рентгеновский спектр этого объекта. Наблю даемые потоки излучения равны 0.950.06 µJy, 2.040.09 µJy, 138.0+61.5 µJy, +0.07 +. 144.5+55 µJy, 218.8+63 µJy, 263+60 µJy для оптических B (0.44 микрон) и V 44 49 (0.53 микрон) фильтров и для средне-ИК фильтров с эффективными дли нами волн в 3.6, 4.5, 5.6 и 8 микрон, соответственно. Рентгеновский спектр описывается степенным законом со спектральным индексом = 0.88±0.08 и нормировочной константой C = (4.39 ± 0.17) 104 фотонов см2 с1 КэВ1.
Построен многоволновой спектр торообразной части пульсарной туманности.
Установлены верхние пределы на поток излучения пульсара PSR J0205+ в оптическом диапазоне. Верхние пределы равны 0.1 µJy и 0.21 µJy для B и V фильтров, соответственно. В разделе 2.3 описаны последующие оригиналь ные наблюдения пульсарной туманности на телескопе NOT, выполненные в 2007 и 2008 годах, в оптических U I и ближне-инфракрасных HKs широкопо лосных фильтрах, и описаны архивные данные инфракрасного космического телескопа AKARI. В §2.3.1 описана обработка данных, включая первичную редукцию данных, фотометрическую калибровку и астрометрическую при вязку. В подразделах 2.3.22.3.4 представлены результаты анализа наблюде ний. В §2.3.2 показано, что торообразная структура пульсарной туманности идентифицируется и на этих данных. Построено исправленное на межзвезд ное поглощение распределение энергии по спектру для торообразной струк туры от рентгеновского до среднего ИК диапазонов (24 микрон10 КэВ).
Поглощение AV = 1.9 определено по спектральным наблюдениям остатка сверхновой [12].
Log E [keV] -3 -2 -1 3C 58 PSR+PWN AV = 1. 2 = Log F [ µJy ] 1.
+/ -. AKARI = Spitzer/IRAC. +/ 0. NOT - Chandra/ACIS-S 13 14 16 17 Log [ Hz ] Рис. 1: Исправленный на межзвездное поглощение многоволновой спектр торообразной части пульсарной туманности 3C 58, составленный из данных, полученных на различных телескопах, названия которых отмечены на рисунке. Пунктирные линии соответствуют аппроксимациям дан ных степенными законами, индексы,, которых указаны на рисунке.
Спектр представлен на Рис.1. Красным показан рентгеновский спектр, который описывается степенным законом со спектральным индексом = 0.88±0.08 (F ), черными точками показаны потоки излучения в опти ческом и ИК диапазонах. Черной штриховой линией показана экстраполяция рентгеновского спектра в оптическую область (на меньшие частоты). Синий штриховой линией показана аппроксимация оптического/ИК спектра степен ным законом со спектральным индексом = 1.16 ± 0.05. Видно, что спектр не описывается единым степенным законом во всем диапазоне частот, а име ет значительно более крутой наклон в оптическом и инфракрасном диапазо нах, по сравнению с рентгеном. Это подразумевает двойной излом в спектре между оптическим и рентгеновским диапазонами. Также наблюдается излом спектра в области 20 микрон (Log [Гц] 13.15). Такие же изломы наблюда ются в излучении пульсарной туманности, находящийся в остатке сверхновой В054069.3 [8]. Однако двойной излом не проявляется в Крабовидной ту манности, спектр которой содержит только один излом между оптическим и рентгеновским диапазонами. Нетривиальный характер распределения энер гии излучения по спектру говорит о сложном, не описывающимся единым степенным законом, как предполагалось ранее, спектре частиц, инжектиро ванных в туманность и ответственных за её излучение.
311. Chandra/ACIS 145. 52:00. 67. 51:00. 30. Dec 64:50:00. 14. 49:00.0 6. 2. 48:00. 1. 2:06:00.0 40.0 20.0 05:00. Ra 0. 0. AKARI/L15 C 52:00. 51:00. Dec 64:50:00. A 49:00.0 48:00.0 2:06:00.0 40.0 20.0 05:00. Ra Рис. 2: Рентгеновское (вверху) и инфракрасное (внизу) изображения пульсарной туманности в остатке сверхновой 3С 58, полученные на инструментах Chandra/ACIS и AKARI/IRC в диапа зонах (0.2 - 10 КэВ) и 15 микрон, соответственно. Внешний белый контур соответствует границе пульсарной туманности (плериона). Внутренний черный контур в центре изображений выявляет торообразную структуру, видимую с ребра, в центре туманности.
В §2.3.3 показано, что излучение протяженной структуры, так называемо го плериона, наблюдаемого в рентгеновском и радио диапазонах вокруг торо образной структуры, обнаруживается также в среднем ИК диапазоне ( микрон) (Рис.2). Измерены потоки излучения: 0.14 ± 0.03 Jy, 0.13 ± 0.05 Jy и 0.4 ± 0.1 Jy для средне-ИК фильтров с эффективными длинами волн 11, 15 и 24 микрон, соответственно. Построен многоволновой спектр плериона с использованием ранее опубликованных радио и рентгеновского спектров.
Показано, что спектр плериона описывается одним степенным законом от ИК до рентгена, что говорит о единой синхротронной природе излучения в этих диапазонах (Рис. 3, вверху) и об отсутствии тепловой компоненты от остатка сверхновой, которая наблюдается и является доминирующей над синхротронным излучением в среднем-ИК в других остатках сверхновых.
В §2.3.4 делается вывод о возможном детектировании пульсара PSR J0205+6449 в ближнем ИК в фильтре Ks. PLERION Оценён его поток излучения 10 3C в этой полосе, который ра- +0. вен 2.030.38 µJy. Отношение - найденного потока излуче F [ Jy ] - ния к рентгеновскому состав- 10 AKARI 110 - ляет 46090, что согласуется с 10 Chandra Spitzer эмпирическим соотношением - указанных потоков для пуль- - саров Краб, Вела, В150958 - и Геминга [13] ( 600 1000). Infrared X-rays Radio - Это позволяет утверждать, 10 -2 -1 0 1 2 3 4 8 5 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 что ИК детектирование пуль- [ GHz ] сара PSR J0205+6449 явля ется правдоподобным. С уче- Log E [keV] том этого построен многовол- -3 -2 -1 новой спектр пульсара PSR 0,5 PSR J0205+ J0205+6449 (Рис. 3) с исполь- AV = 1. зованием его рентгеновского спектра из работы [7] и из Log F [ µJy ] = 0. меренных нами верхних пре- = 0.
делов в фильтрах BV. По- -0, +/ казано, что спектр пульса- -. ра, скорее всего, также имеет - двойной излом между опти ческим и рентгеновским диа- NOT Chandra/ACIS-S пазонами, как и в случае то- 14 15 Log [ Hz ] рообразной части его туман ности (и в случае пульса ра В054069.3). Опроверга- Рис. 3: Исправленные на межзвездное поглощение много ется возможное обнаружение волновые спектры плериона 3С 58 (сверху) и пульсара PSR пульсара PSR J0205+6449 в J0205+6449 (снизу) оптической R полосе, заяв ленное в работе [14]. В разделе 2.4 кратко суммируются основные результаты Главы 2.
Глава 3 посвящена исследованию пульсарной туманности вокруг пульса ра PSR J11245916 в остатке сверхновой SNR G292.0+1.8 в оптическом и инфракрасном диапазонах. Результаты этого исследования опубликованы в работах [2A, 3A, 5A, 7A, 8A]. В разделе 3.1 освещены предыдущие исследова ния этого объекта в разных диапазонах длин волн. Период пульсара, P = миллисекунд, и производная периода P = 7.4 1013, дают характеристиче ский возраст 2900 лет, согласующийся с возрастом остатка сверхновой 27003700 лет, найденного по скорости разлета и размерам остатка [17, 18].
Скорость потери энергии вращения равна E = 1.21037 эрг с1. Расстояние до него 6 кпс. В разделе 3.2 описаны оригинальные наблюдения пульсар ной туманности, связанной с пульсаром PSR J11245916, на телескопе VLT в оптических широкополосных фильтрах V RI и архивные наблюдательные данные Chandra. В §3.2.1 описана обработка данных, включая первичную редукцию данных, фотометрическую калибровку и астрометрическую при вязку. В §3.2.2 представлены результаты анализа наблюдений. Видимая с реб ра торообразная пульсарная туманность вокруг пульсара PSR J11245916, обнаруженная ранее в рентгеновском диапазоне [15], впервые идентифици рована по положению и морфологии в оптическом диапазоне. Измерены оп тические потоки излучения и проанализирован рентгеновский спектр этого +0.084 +0. объекта. Наблюдаемые потоки излучения равны 0.6920.075 µJy, 0.6760. +0. µJy, 1.350.15 µJy для оптических V, R и I фильтров, соответственно. Рент геновский спектр описывается степенным законом со спектральным индексом = 0.85 ± 0.02 и нормировочной константой C = (1.38 ± 0.08) 104 фо тонов см2 с1 КэВ1. Установлены верхние пределы на поток излучения пульсара PSR J11245916 и построен его ориентировочный многоволновой спектр, исправленный на межзвёздное поглощение, который представлен на Рис. 4 (внизу), с использованием оптических верхних пределов и рентгенов ского спектра из работы [16]. Чтобы отождествить этот пульсар в оптиче ском диапазоне необходимы дальнейшие наблюдения с высоким простран ственным разрешением и более длительной экспозицией. В §3.2.3 обсуждают ся предварительные результаты. В разделе 3.3 подтверждается обнаружение пульсарной туманности в оптическом диапазоне за счет анализа архивных данных инфракрасного орбитального телескопа Spitzer в широких каналах с эффективными длинами волн 4.5, 8, 24 и 70 микрон. Торообразная пульсар ная туманность вокруг пульсара PSR J11245916 обнаруживается в каналах 4.5 и 8 микрон. Источник не обнаружен в 24 и 70 микронах, в которых до минирует яркое излучение от оболочки и филаментов остатка сверхновой.
Построен исправленный на поглощение AV = 1.86 2.10, определенное по спектральным наблюдениям [19], многоволновой спектр пульсарной туман ности от инфракрасного до рентгеновского диапазонов. Спектр представлен на Рис. 4 (вверху). Красным показан рентгеновский спектр, описывающийся степенным законом со спектральным индексом = 0.85 ± 0.02, желтым по казана аппроксимация оптического/ИК спектра степенным законом со спек тральным индексом = 1.48 ± 0.16. Видно, что характер спектра этого объ екта подобен спектрам туманностей в остатках сверхновых 3C 58 (Глава 2) и B054069.3 [8]. Также наблюдаются двойной излом между оптическим/ИК и рентгеновским диапазонами и излом на 20 микрон (Log [Гц] 13.15).
В разделе 3.4 дано заключение к Главе 3.
Log E [keV] -5 -3 -4 -2 -1 AV = 1.86 - 2. Log F [ µJy ] = 1.
1 +/ -. =. +/ -1 0. Chandra/ACIS-I VLT/FORS Spitzer/(IRAC and MIPS) - 13 14 17 Log [ Hz ] 0, PSR J1124- AV = 1.86-2. Log F [ µJy ] -0, - = 0. +/ I - -1,. R V - Chandra VLT -2, 14 16 17 Log [ Hz ] Рис. 4: Вверху: Многоволновой спектр пульсарной туманности вокруг пульсар PSR J11245916.
Внизу: многоволновой спектр пульсара PSR J11245916, красными треугольниками обозначены верхние пределы на поток излучения пульсара Глава 4 посвящена детальному исследованию в оптическом и рентгенов ском диапазонах структуры торообразной туманности пульсара PSR B0540 69.3, связанного с одноименным остатком сверхновой в БМО. Результаты этого исследования опубликованы в работе [4A, 6A]. В разделе 4.1 освещена история предыдущих исследований этого объекта в разных диапазонах длин волн. Пульсар имеет период 50.2 миллисекунд [20], характеристический воз раст = P/2P 1660 лет, скорость потери энергии вращения E = 1.5 эрг с1;
расстояние до него оценивается в 50 кпс. В разделе 4.2 описаны ориги нальные оптические наблюдения пульсарной туманности на телескопе HST, а также архивные рентгеновские данные телескопа Chandra, и анализ данных.
WFPC2-F547M Oct 1999 400 s 49. -69:19:50. counts per bin 51.0 52.0 53.0 Declination blob 54. -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 arcsec 55. 56. 57. counts per bin 58. 59. 12.2 11.8 11.4 5:40:11.0 10.6 10. Right ascension -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 - arcsec HRC-I June 2000 30 ks 49.0 -69:19:50. counts per bin 51. 52. 53. Declination 54. blob 55.0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 arcsec 56. 57. counts per bin 58.0 59. 12.2 11.8 11.4 5:40:11.0 10.6 10. Right ascension -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 - arcsec Рис. 5: 11 11 оптическое изображение пульсарной туманности В0540-69.3 (слева вверху), по лученное в 1999 году на приборе HST/WFPC2 в фильтре F547M ( = 5400 и соответствующее A), рентгеновское изображение (слева внизу), полученное в 2000 году на приборе Chandra/HRC в диа пазоне 0.2-10 КэВ. Белыми линиями помечены два разреза с размерами 0. 8 10 вдоль главной и поперечной осей туманности, для которых построены одномерные профили яркости (средние и правые панели, соответственно). На всех профилях главный пик соответствует положению пуль сара. Положение яркой компактной структуры ("blob") туманности, видимой на юго-западе от пульсара, указано вертикальной прямой на средних панелях.
В разделе 4.3 представлены результаты прямых и поляризационных на блюдений пульсара PSR B054069.3 и его туманности в оптическом диа пазоне. Изображения с высоким пространственным разрешением получены с помощью космического телескопа HST. Эти изображения сопоставлены с рентгеновскими данными, полученными обсерваторией Chandra. В §4.3.1 опи сана оптическая фотометрия отдельных частей пульсарной туманности. В частности, изучена яркая компактная область к юго-западу от пульсара, где в 1999 году наблюдался яркий сгусток излучения, который, как было отмечено в недавней работе [21], по-видимому, удаляется от пульсара с высокой скоро стью 0.04c, где c скорость света. В §4.3.2 построена поляризационная карта излучения пульсарной туманности в оптическом диапазоне. В §4.3.3 прове дено отождествление яркого сгустка в рентгеновском диапазоне. На Рис. представлены изображения пульсарной туманности в оптическом (сверху сле ва) и рентгеновском (снизу слева) диапазонах, полученные в сентябре года на HST в фильтре F547M ( = 5470 и в июне 2000 года на Chandra A) на приборе HRC (High Resolution Camera) в диапазоне 0.2 - 10 КэВ. Яркая компактная структура хорошо идентифицируется на одномерных профилях интенсивности (средние панели), её положение указано вертикальной прямой.
В §4.3.4 произведена рентгеновская спектроскопия отдельных частей пуль сарной туманности с учетом поглощения на луче зрения совместно от Галак тики, Большого Магелланового Облака и родительского остатка сверхновой.
Рентгеновский спектр описывается наи лучшим образом, если предположить наличие на луче 50. зрения дополни тельного кислоро да, помимо кис лорода межзвезд- 53. Dec ного газа в БМО и Млечном Пу ти. Этот допол нительный кисло- -69:19:56. род связан с бога тым кислородом остатком сверхно вой. Взяв необхо димое количество 59. 12.2 11.8 11.4 5:40:11.0 10.6 10. Ra дополнительного кис лорода, получаем массу предсверх- -2.8 -2.7 -2.6 -2.5 -2.4 -2.3 -2.2 -2.1 -2 -1.9 -1. новой в диапа зоне 20–25 M, Рис. 6: Сглаженная карта фотонного индекса пульсарной туманности что соответству- В0540-69.3 (значение индекса указано цветом). Контуры соответствуют уровням интенсивности рентгеновского излучения туманности. "+"обо ет верхнему диа- значено положение пульсара.
пазону масс пра родителя сверхновой типа IIp и согласуется со спектральными наблюдениями остатка сверхновой в оптическом и рентгеновском диапазонах.
С учетом этого найден фотонный индекс спектра пульсара ( = 1.74±0.01) и колонковая плотность вещества NH R в родительском остатке сверхновой.
SN Построена карта рентгеновского фотонного индекса туманности (Рис. 6), по казывающая укручение спектра излучения при удалении от пульсара. Яркая структура хорошо выделяется на этой карте и характеризуется максимально жестким спектром по сравнению со всей туманностью и пульсаром. В §4.3. построен многоволновой спектр этой структуры от оптического до рентге новского диапазона (Рис.7, вверху).
Blob = 1.35 (+0.27/-0.22) Blob 2 power law 1999 - HST/WFPC Log F [ µJy ] = 0.74+/-0. = 0.65+/-0. - Chandra ACIS-S - 14 16 17 18 Log [ Hz ] Log E [ keV ] -8 -7 -6 -5 -3 -4 -2 -1 Log F [µJy] ATCA HST 3 Spitzer 1 Chandra - 9 10 11 12 13 14 17 15 Log [Hz] Рис. 7: Вверху: Многоволновой спектр яркой компактной части пульсарной туманности В0540 69.3 по данным в оптическом и рентгеновском диапазонах. Внизу: Многоволновой спектр пульсар ной туманности В0540-69.3, составленный из радио, ИК, оптического и рентгеновского потоков.
Показано, что оптический и рентгеновский спектральные индексы сильно O X отличаются и равны = 1.35±0.25 и = 0.65±0.04, соответственно. Вме сте с тем, в среднем, плотность оптического потока на уровне 2 сопоставима с экстраполяцией рентгеновского спектра в области низких частот. Отметим, что спектр всей туманности в оптическом/ИК и рентгеновском диапазонах также нельзя описать единым степенным законом (Рис. 7, внизу).
В разделе 4.4 суммируются результаты по Главе 4.
В заключении сформулированы основные результаты диссертаци онной работы:
1. Обнаружена торообразная часть пульсарной туманности вокруг пульса ра PSR J0205+6449 в остатке сверхновой 3C 58 в оптическом и инфракрасном диапазонах.
2. Обнаружен плерион в остатке сверхновой 3C 58 в среднем ИК. Пока зано, что спектр плериона описывается одним степенным законом от ИК до рентгена, что говорит о единой синхротронной природе излучения в этих диапазонах (Рис. 3, вверху) и об отсутствии тепловой компоненты от остатка сверхновой, которая доминирует над синхротронным излучением в среднем ИК в других остатках сверхновых.
3. Получены данные, свидетельствующие о возможном детектировании пульсара PSR J0205+6449 в ближнем ИК. Установлены верхние пределы на поток его излучения в оптическом диапазоне.
4. Обнаружена пульсарная туманность вокруг пульсара PSR J в оптическом и инфракрасном диапазонах.
5. Установлены верхние пределы на потоки излучения пульсара PSR J1124 5916 в оптическом диапазоне.
6. Показано, что многоволновые спектры обеих торообразных пульсарных туманностей описываются степенными законами со значительно более кру тыми наклонами в оптическом и инфракрасном диапазонах, чем в рентгене (Рис. 1, 4). Это подразумевает двойной излом в спектре между оптическим и рентгеновским диапазонами. Наблюдается также излом спектра в области 20 микрон для обоих объектов. Такие же изломы наблюдаются и в излуче нии пульсарной туманности, находящейся в остатке сверхновой В054069. (Рис. 7, внизу), но не проявляются в Крабовидной Туманности, чей спектр со держит только один излом между оптическим и рентгеновским диапазонами.
Двойной излом говорит о сложном, не описывающемся единым степенным за коном, спектре частиц, инжектированных в туманность и ответственных за ее излучение.
7. Детально исследована структура пульсарной туманности В054069. в оптическом и рентгеновском диапазонах. Обнаружена яркая компактная структура на оптических изображениях пульсарной туманности B0540-69.3.
Она отождествлена в рентгеновском диапазоне. Построен реалистичный мно говолновой спектр этой структуры с учетом модели межзвездного поглоще ния, которая учитывает разные составляющие поглощения на луче зрения.
С учетом этого получен также спектр пульсара PSR B054069.3 и построена карта спектрального индекса всей пульсарной туманности в рентгеновском диапазоне, из которой видно, что обнаруженная яркая компактная структу ра имеет максимально жесткий спектр по сравнению с остальными частями туманности.
8. Полученные результаты удваивают число пульсарных туманностей, отож дествленных в оптическом и инфракрасном диапазонах. Наличие двойного излома между оптическим и рентгеновским диапазонами в спектрах 3-х из 4-х отождествленных туманностей делают эту особенность достаточно рас пространенной, что необходимо учитывать при построении теоретических мо делей данных объектов.
Публикации по теме диссертации [1A] Shibanov Yu. A., Lundqvist N., Lundqvist P., Sollerman J., Zyuzin D., 2008, Astronomy and Astrophysics, v. 486, pp. [2A] Zharikov S. V., Shibanov Yu. A., Zyuzin D. A., Mennickent R. E., Komarova V. N., 2008, Astronomy and Astrophysics, v. 492, pp. [3A] Zyuzin D. A., Danilenko A. A., Zharikov S. V., Shibanov Yu. A., 2009, Astronomy and Astrophysics, v. 508, pp. [4A] Lundqvist N., Lundqvist P., Bjrnsson C.-I., Olofsson G., Pires S., Shibanov o Yu. A., Zyuzin D. A., 2011, MNRAS, v. 413, pp. [5A] Зюзин Д.А., Ю.А. Шибанов, С.В. Жариков, А.А. Даниленко, П.
Люндквист, Е. Соллерман, Тезисы конференции ФизикА.СПб по физике и астрономии, 2011, стр. [6A] Д.А. Зюзин, Ю.А. Шибанов, Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра 2006, Программа и тезисы, Москва, ИКИ РАН, 2006, стр. [7A] Д.А. Зюзин, Ю.А. Шибанов, Даниленко А.А., Жариков С.В., Кома рова В.Н., Mennickent R.E., Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра 2009, Программа и тезисы, Москва, ИКИ РАН, 2009, стр. [8A] Д.А. Зюзин, Ю.А. Шибанов, Жариков С.В., Даниленко А.А., Кома рова В.Н., Lundqvist N., Lundqvist P., Sollerman J., Mennickent R.E., Астрофи зика высоких энергий сегодня и завтра 2010, Программа и тезисы, Москва, ИКИ РАН, 2010, стр. Список литературы [1] Hester, J. J., ARAA. – 2005. – Vol. 46. – pp. 127 – [2] Tavani, M. et al., 2011, Science, 331, [3] Abdo, A. et al., 2011, Science, 331, [4] Striani, E., Tavani, M., Piano, G, et al., 2011, ApJ, 741, [5] Slane, P., High-Energy Emission from Pulsars and their Systems, Astrophysics and Space Science Proceedings, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011, p. [6] Slane, P., HIGH ENERGY GAMMA-RAY ASTRONOMY: Proceedings of the 4th International Meeting on High Energy Gamma-Ray Astronomy. AIP Conference Proceedings, vol. 1085, pp. 120-128 (2008) [7] Kargaltsev, O. & Pavlov, G. G.;
40 YEARS OF PULSARS: Millisecond Pulsars, Magnetars and More. AIP Conference Proceedings, Volume 983, pp.
171-185 (2008).
[8] Seramovich, N. I.;
Shibanov, Yu. A.;
Lundqvist, P.;
Sollerman, J. 2004, A&A;, 425, pp. 1041- [9] Mignani, R.P., 2011, AdSpR, 47, 1281M [10] Murray, S., Slane, P.O., Seward, F.D., et al. 2002, ApJ, 568, [11] Slane, P., Helfand, D., van der Swaluw, E. & Murray, S., 2004, ApJ, 616, [12] Fesen, R., Rudie, G., Hurford, A., & Soto, A. 2008, ApJS, 174, [13] Kaplan, D. & Moon D.-S., 2006, ApJ, 644, [14] Shearer, A. & Neustroev, V. V., 2008, MNRAS, 390, [15] Hughes, J. P., Slane, P. O., Burrows, D. N., Garmire, G., 2001, ApJ, L [16] J. P. Hughes, P. O. Slane, D. N. Burrows, et al., 2001, ApJL 559, pp. 153– [17] Camilo, F., Manchester, R. N., Gaensler, B. M., et al. 2002, ApJ, 567, L [18] Chevalier, R. 2005, ApJ, 619, [19] Winkler, P.F.,& Long, K.S 2006, AJ, 132, [20] Seward, F. D.;
Harnden, F. R., Jr.;
Helfand, D. J., 1984, ApJ, 287L, 19S [21] De Luca, A., Mignani, R. P., Caraveo, P. A. & Bignami, G. F., 2007, ApJ, 667,