Обзоры неба с обсерваторий интеграл и rxte: природа рентгеновского фона галактики и переменности излучения черных дыр и нейтронных звезд

На правах рукописи

Михаил Геннадьевич Ревнивцев

Обзоры неба с обсерваторий ИНТЕГРАЛ и

RXTE: природа рентгеновского фона Галактики

и переменности излучения черных дыр и

нейтронных звезд

01.03.02 Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва, 2006

2

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук академик РАН Черепащук А.М.

доктор физ.-мат. наук член-корреспондент РАН Кочаровский В.В.

доктор физ.-мат. наук член-корреспондент РАН Шустов Б.М.

Ведущая организация:

Специальная Астрофизическая Обсерватория РАН (г.Нижний Архыз)

Защита диссертации состоится 28 декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.113.02 при Инсти туте космических исследований РАН по адресу: 117997 Москва, ул.Профсоюзная 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Авторефереат разослан 28 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.113. кандидат физ.-мат. наук А.Ю.Ткаченко

Общая характеристика работы

Актуальность темы Рентгеновский фон Галактики Одним из важнейших вопросов рентгеновской астрофизики яв ляется проблема происхождения фонового рентгеновского излуче ния Галактики. Первые же систематические исследования излу чения Галактики на высоких энергиях (в рентгеновском и гамма– диапазонах) показали, что наряду с яркими компактными ис точниками – аккрецирующими черными дырами и нейтронны ми звездами – вдоль галактической плоскости присутствует некое протяженное излучение. Исследования этого излучения в гамма– диапазоне показали, что оно формируется в результате взаимо действия частиц космических лучей высоких энергий с веществом межзвездной среды. Однако, эта модель не могла объяснить фоно вое излучение Галактики в рентгеновском диапазоне энергий. Ис следования рентгеновского фона Галактики, проводившиеся при помощи практически всех рентгеновских обсерваторий, начиная с 80х годов, так и не позволили решить вопрос о его природе.

Спектр излучения рентгеновского фона Галактики очень по хож на спектр излучения оптически тонкой плазмы и содержит большой набор эмиссионных линий, характерных для излучения сильно ионизированных тяжелых элементов, что указывет на то, что температура излучающей плазмы не менее, чем 5-10 кэВ. Раз личные оценки полной светимости Галактики в фоновой (распре деленной) компоненте сходятся на значениях 1–21038 эрг/с.

Сразу после открытия излучения галактического рентгеновско го фона (ГРФ) была предложена модель его формирования в ре зультате сложения излучения большого числа слабых галактиче ских источников, таких как катаклизмические переменные (CV), коронально активные звезды (AB), двойные системы с нейтрон ными звездами и черными дырами в выключенном состоянии и т.д. Однако, ввиду отсутствия информации хотя бы ограниченной полноты о свойствах популяциий этих галактических источников, сделать оценку их вклада в излучение рентгеновского фона Га лактики было невозможно.

Если рентгеновский фон Галактики состоит из точечных ис точников, то при наличии приборов необходимой чувствительно сти и с достаточным угловым разрешением весь поток галакти ческого фонового излучения можно разрешить на конечное (воз можно, большое) число отдельных источников. По мере улучше ния чувствительности рентгеновских телескопов действительно все большая часть фонового излучения оказывалась разрешенной на точечные источники, однако даже рентгеновские телескопы об серваторий последнего поколения ЧАНДРА и XMM-Ньютон, до стигшие предела детектирования точечных источников на уровне Fx 3 1015 эрг/с/см2 в энергетическом диапазоне 2-8 кэВ, не позволили разрешить более 10–15% фонового излучения в обла сти галактической плоскости. Результаты этих измерений были использованы в качестве свидетельства того, что фоновое рентге новское излучение Галактики нельзя разрешить на точечные ис точники, и оно представляет собой диффузное излучение, возни кающее в межзвездной среде Галактики.

Однако, гипотеза о диффузном/межзвездном происхождении ГРФ наталкивается на значительные теоретические трудности.

Основная проблема связана с тем, что температура плазмы, кото рая, по всей видимости, создает излучение ГРФ, настолько высо ка ( 5 10 кэВ), что гравитационный потенциал Галактики не может ее удержать вблизи галактической плоскости и такая плаз ма должна формировать постоянный отток вещества. Для того, чтобы восполнить резервуар горячей плазмы в Галактике, необ ходимо очень большое количество энергии – порядка 1043 эрг/с.

Из-за небольшой поверхностной яркости ГРФ в области плос кости Галактики для качественных исследований требуются боль шие времена наблюдений даже рентгеновскими обсерваториями последнего поколения. Для того, чтобы оценить вклад собствен но галактических источников в излучение ГРФ в области галак тической плоскости необходимо избавится от вклада внегалакти ческих источников (в основном – активных ядер галактик), ко торые, как показали наблюдения, представляют более многочис ленную популяцию при достигнутых чувствительностях. Посколь ку на масштабах полей зрения современных рентгеновских теле скопов ( 0.1 0.2) поверхностная плотность внегалактических объектов может сильно варьироваться, то очень сложно предска зать их число в конкретном обзоре. Определение же природы всех объектов в обзорах галактической плоскости представляет собой практически нерешаемую задачу из-за сложностей наблюдений объектов в этой области в оптическом диапазоне. Таким образом, определить кривую подсчетов галактических объектов малой све тимости, и, следовательно, их вклад в излучение рентгеновского фона Галактики в области галактической плоскости в настоящее время практически невозможно.

Единственная область в нашей Галактике, в которой поверх ностная плотность галактических объектов гораздо выше, чем поверхностная плотность внегалактических источников – это бли жайшие 10 угловых минут вокруг сверхмассивной черной ды ры Стрелец А в центре Галактики (так называемая область цен трального звездного кластера). Наблюдения этой области также еще ценны тем, что здесь объемная плотность галактических ис точников настолько велика, что практически все источники, ре гистрируемые в этом направлении, являются галактическими и расположены в одном месте, в области центра Галактики. В этом случае исчезает проблема определения расстояния до источников и пересчета их потоков в светимость. При помощи наблюдений рентгеновского телескопа обсерватории ЧАНДРА этой области было показано, что кривая подсчетов слабых рентгеновских ис точников, и, следовательно, их функция светимости растет в сто рону низких светимостей и вплоть до значений 1032 эрг/с не имеет уплощения. Это является серьезным указанием на то, что в Галактике существует большое количество источников с малыми светимостями, которые, возможно, и дают фоновое рентгеновское излучение Галактики.

Однако, ввиду того, что общее время наблюдений области га лактического центра обсерваторией ЧАНДРА (имеющей в насто ящее время самую высокую чувствительность детектирования то чечных источников) уже сейчас составляет порядка миллиона се кунд, трудно надеяться на значительный прогресс в этом направ лении в ближайшее время. Таким образом, очевидна необходи мость изыскать другие, альтернативные, способы решения про блемы галактического фонового излучения, что и является одной из основных задач данной диссертации.

Хаотическая переменность рентгеновских источников Бльшая часть ярких источников рентгеновского излучения в о Галактике является аккрецирующими системами. Это является результатом того, что именно в процессе аккреции (падения веще ства на гравитирующий объект) достигается практически макси мально возможная (если не считать аннигиляцию вещества) эф фективность выделения энергии – при падении на нейтронную звезду или черную дыру вещество выделяет из гравитационно го поля компактного объекта энергию, эквивалентную большой доле его (падающего вещества) энергии покоя: 0.1 0.5 mc2. На греваясь, аккрецирующее вещество достигает температур десятки миллионов градусов и излучает рентгеновские фотоны.

Выходящее из таких областей рентгеновское излучение несет в себе “отпечаток” сильного гравитационного поля компактного объекта, и, следовательно, представляет собой природный инстру мент для измерения параметров таких экзотических объектов во Вселенной, как черные дыры и нейтронные звезды, а также, для изучения поведения вещества при экстремальных условиях, реа лизующихся вблизи компактных объектов (температуры десятки миллионов градусов, магнитные поля 106 1013 Гаусс, большое давление излучения и т.д.) Важность исследований переменности потока излучения на ко ротких временных масштабах для изучения поведения вещества при экстремальных условиях и измерения параметров компакт ных объектов была подчеркнута теоретиками еще в начале 70х годов. Было отмечено, что из-за черезвычайно малого размера галактических черных дыр и нейтронных звезд (менее 10-15 км) временной масштаб переменности излучения аккреционных пото ков, существующих вблизи этих объектов, может достигать мил лисекунд и менее. Именно на таких временных масштабах можно ожидать проявление фундаментального отличия черных дыр от любых других объектов во Вселенной – отсутствия твердой по верхности.

Первые же исследования компактных объектов в рентгенов ском энергетическом диапазоне, где аккрецирующие компактные источники излучают основную энергию, показали, что перемен ность потока излучения бльшей части источников является не о периодической, а хаотической и распределена по очень большому диапазону временных масштабов. Причины возникновения такого рода переменности долгое время оставались не ясными.

Хаотическая переменность рентгеновского излучения различ ных частей аккреционного потока вокруг компактного объек та (например, аккреционного диска, оптически тонкой короны над аккреционным диском, пограничного слоя между аккреци онным диском и поверхностью нейтронной звезды и т.д.) может иметь различные характеристики. Например, переменность мо жет иметь выделенные временные масштабы, или, напротив, быть распределена по большому диапазону фурье-частот. Предложен ное в данной работе использование этой информации позволяет выделять из полного потока рентгеновского излучения источни ков спектральные компоненты, возникающие именно в интересу ющих исследователя областях, что в ряде случае невозможно сде лать другими способами. Таким образом можно проводить “то мографические” (послойные) исследования аккреционных пото ков вокруг компактных объектов и получать информацию о его структуре, о поведении в нем вещества и о параметрах компакт ных объектов.

Цель работы Целью работы является решение вопроса о природе рентгенов ского фона Галактики путем комплексного исследования обзоров всего неба с различных орбитальных обсерваторий, а именно: 1) изучения морфологии фонового рентгеновского излучения Галак тики и 2) получения суммарной светимости всех рентгеновских источников звездного типа в Галактике. Второй целью работы, достигнутой при помощи обзоров (наблюдений большого числа) ярких рентгеновских источников в Галактике, является объясне ние природы хаотической переменности аккрецирующих компакт ных объектов и измерение с ее помощью параметров компактных объектов.

Научная и практическая ценность работы В работе выполнен обзор всего неба с обсерватории RXTE, яв ляющийся на настоящий момент самым чувствительным обзором всего неба в энергетическом диапазоне 3–20 кэВ. Полученный в ре зультате обзора неба каталог внегалактических и галактических источников уже используется различными группами для изуче нии свойств популяций этих источников, а так же при поиске пе кулярных объектов рентгеновского неба.

Полученнный в результате обзора спектр внегалактического рентгеновского фона является одним из немногих точных изме рений, проведенных на большой части неба, и, таким образом, представляет большую практическую ценность. В настоящее вре мя значение нормировки спектра внегалактического фона, полу ченное в данной работе, многими исследователями используется как эталонное.

Впервые получена функция светимости галактических источ ников рентгеновского излучения в широком диапазоне светимо стей 1027 1034 эрг/с. Это впервые позволило оценить вклад объ ектов малой светимости в полное излучение Галактики в рентге новском диапазоне.

Решен вопрос о природе рентгеновского фона Галактики, пред ставлявший загадку для исследователей в течении более чем лет. Полученные в ходе решения этой проблемы карты поверх ностной яркости галактического фонового рентгеновского излу чения могут быть использованы при планировании и анализе на блюдений объектов в области галактической плоскости.

Предложен и развит новый метод исследования спектральной переменности ярких рентгеновских источников - метод фурье частотной спектроскопии, с помощью которого впервые показа но кардинальное различие в характере переменности оптически толстых и оптически тонких течений в аккреционном диске.

Показан практический способ отделять спектр излучения по верхности аккрецирующей нейтронной звезды от спектра аккре ционного диска. Это впервые позволило получить спектр невоз мущенной фотосферы аккрецирующих нейтронных звезд, что, в свою очередь, дало возможность измерить параметры нейтронных звезд. Развитие моделей структуры слоя растекания на поверхно сти нейтронных звезд позволит в дальнейшем получить одну из наиболее точных оценок параметров нейтронных звезд.

Апробация работы Результаты, полученные в диссертации, представлялись на меж дународных научных конференциях “Жизнь нейтронных звезд” (Санкт-Петербург, 2001), “Исследование быстрой рентгеновской переменности: обсерватория имени Росси и дальше” (Бостон, США, 2003), “Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра” (Москва, 2003,2005), “Процессы высоких энергий в центре Га лактики” (Париж, Франция, 2005), “Астрофизика высоких энер гий в горах” (Форт Вильям, Великобритания, 2005), “Релятивист ская Вселенная” (Рингберг, Германия, 2006), “Скрытая Вселен ная” (Москва, 2006), международном семинаре “Лебедь X-2 +/-1” (Киттила, Финляндия, 2005), на 36-ой ассамблее Международного Комитета по космическим исследованиям COSPAR (Пекин, 2006), а также на астрофизических семинарах в Институте Космических Исследований РАН, Института астрофизики имени Макса Планка (Германия), университета Оулу (Финляндия), Лейстерского уни верситета (Великобритания), Массачусетского технологического института, и Гарвардского университета (США).

По теме диссертации опубликовано 27 работ.

Содержание работы Диссертация состоит из введения, двух частей и заключения. Пер вая часть разделена на 6 глав, вторая часть разделена на 4 главы.

Одна глава в начале каждой части посвящена описанию методов анализа наблюдений, использующихся в данной части.

Объем диссертации – 230 страниц, в том числе 75 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 321 наименование.

В первой части диссертации приведены результаты исследо вания природы фонового рентгеновского излучения Галактики.

Основными “инструментами”, использовавшимися при решении этой задачи являлись обзоры всего неба с обсерваторий ИНТЕ ГРАЛ и RXTE. В главе 1.1 описаны основные результаты полу ченных обзоров. В частности, описаны основные свойства нового класса “поглощенных” источников, обнаруженных ИНТЕГРАЛом в плоскости Галактики и показано, что такие источники не могут давать значительный вклад в излучение галактического рентге новского фона. Приведены основные свойства обзора всего неба обсерватории RXTE, описаны технические детали, связанные с детектированием источников и с точностью измерения их пото ков, описана проблема наложения источников. Приведен ката лог источников, обнаруженных на галактических широтах более |b| 10. В случае, где это было возможно, для каждого источ 90. 60. 30. 180.000 135.000 90.000 45.000 0.000 315.000 270.000 225.000 180. -30. -60. -90. Рис. 1: Карта всего неба, полученная в обзоре неба обсерватории RXTE (энерге тический диапазон 3–20 кэВ) ника из каталога был определен его тип. Приведены результаты идентификации нескольких источников из обзора неба при помо щи наблюдений обсерваторий ИНТЕГРАЛ, ЧАНДРА и SWIFT.

Приведен еще один важный результат полученного обзора неба – измерение спектра внегалактического рентгеновского фона. Из мерения были проведены при помощи сравнения потоков, реги стрируемых детекторами RXTE/PCA, при наблюдении темной стороны Земли и открытого неба. Полученное значение отличает ся от величины интенсивности рентгеновского фона, полученной ранее по измерениям обсерватории HEAO1. Для выяснения при чины этого расхождения был проведен повторный анализ данных этой обсерватории. Показано, что расхождения, скорее всего, свя заны с неточностями взаимных калибровок приборов обсервато рий RXTE и HEAO1.

Кум.излучательная способность, эрг/сек/М эрг/сек Log L (2-10 кэВ), эрг/сек Log (светимость 2-10 кэВ), эрг/сек Рис. 2: Слева вверху: Функция рентгеновской светимости галактических близких двойных систем, пересчитанная на всю Галактику. Масса Галактики считалась равной 7 1010 M. Слева внизу: Удельный вклад рентгеновских источников разных типов в полную светимость Галактики. Справа: Куму лятивная излучательная способность коронально активных звезд в двойных системах, катаклизмических переменных и ярких маломассивных двойных систем с нейтронными звездами как функция верхней границы суммирива ния фунции светимости источников. Штриховыми прямыми показаны уров ни равные 100%, 150% и 200% от вклада коронально активных звезд и ката клизмических переменных.

В главе 1.2 получена функция светимости слабых галактиче ских источников в широком диапазоне светимостей от эрг/с до 1034 эрг/с. Представлен каталог из 30 галактических источников, обнаруженных в обзоре неба обсерватории RXTE на галактических широтах |b| 10. С использованием этого набо ра источников получены оценки объемных плотностей галактиче ских источников различных классов (карликовых новых, поляров, промежуточных поляров, коронально активных звезд) в окрест ностях Солнца, имеющих светимости в интервале Lx 1030 эрг/с (энергетический диапазон 3–20 кэВ). Особое внимание уде лено анализу полноты используемой подборки. Для продолже ния функции светимости галактических источников в диапазон Lx 1030 эрг/с (в основном – коронально активные и молодые звезды), не покрытый обзором неба RXTE, использовались ре зультаты обзора всего неба обсерватории РОСАТ, в частности, каталоги ближайших и ярчайших (в рентгеновском диапазоне) звезд. Показано, что фукнция светимости галактических источ ников имеет широкий пик в интервале 1030 1033 эрг/с, воз никающий из-за вклада аккрецирующих белых карликов (карли ковых новых, поляров, промежуточных поляров) и коронально активных звезд (см. рис.2). Получены кумулятивные излучатель ные способности различных классов объектов. Кумулятивная из лучательная способность объектов, составляющих старое звездное население Галактики в окрестности Солнца, со светимостями ме нее 1034 эрг/с равна L320 / = 5.3 ± 1.5 1027 эрг/с/M. Если учесть также вклад молодых звезд, то значение кумулятивной из лучательной способности будет равно L320 / = 6.2 ± 1.5 эрг/с/M.

В главе 1.3 исследуется распределение поверхностной яркости рентгеновского фона Галактики в энергетическом диапазоне 3– кэВ (см. рис.3). Для того, чтобы избежать искажения получаемо го распределения поверхностной яркости ГРФ из-за ярких точеч ных источников были использованы два метода. В рамках первого метода области, “засвеченные” яркими источниками, отфильтро вывались. Во втором методе при построении карты ГРФ исполь зовался лишь поток в эмиссионной линии 6.7 кэВ, которая являет ся характерной для излучения ГРФ, но практически отсутствует в спектрах ярких точечных источников. Результаты, полученные Гал. широта Галактическая долгота Рис. 3: Карта центральной части Галактической плоскости, полученная по данным сканирующих наблюдений спектрометра PCA обсерватории име ни Росси (энергетический диапазон 3-20 кэВ). Контуры показывают обла сти с одинаковой поверхностной яркостью. Величины поверхностных яр костей, обозначенные соседними контурами, отличаются в 1.4 раза. Ми нимальная поверхностная яркость, обозначенная контуром на карте, эрг/с/см2 /кв.град. На карте хорошо видны яркие точечные источники (мно гочисленные “пятна” размером 1 ) и галактическое фоновое излучение, распределенное вдоль галактической плоскости.

этими двумя методами, хорошо согласуются друг с другом. Пока зано, что поверхностная яркость галактического рентгеновского фона формирует две области – балдж и диск. Распределение по верхностной яркости в области балджа хорошо описывается мо делью трехосного эллипсоида, с размерами полуосей 3.4, 1.2 и 1.12 кпк, лежащего в галактической плоскости и составляюще го с лучем зрения угол 29 ± 6. Профили поверхностной яркости, полученные в области галактического диска, описываются моде лью экспоненциального диска с харакерным размером R 2. кпк и характерной толщиной z 130пк (см. рис.4).

Показно, что распределение поверхностной яркости ГРФ хоро шо согласуется с распределением поверхностной яркости Галакти ки в ближнем инфракрасном дизпазоне, основной вклад в кото рый дают обычные звезды (см. рис.4 и рис. 5 ). Сделан вывод, что объемная излучательная способность Галактики в излучении ГРФ пропорциональна объемной плотности звезд. Получено значение излучательной способности единичной звездной массы Галактики Поверхностная яркость, 10-11 эрг/сек/кв.град.

Пов.яркость эмиссионной линии 6.7 кэВ, фот./сек/см /кв.град.

Галактическая широта, град. Галактическая долгота, град.

Рис. 4: Слева: Профиль поверхностной яркости рентгеновского фона Галак тики (энергетический диапазон 3-20 кэВ) поперек галактической плоскости на галактической широте l 21. Справа: Профиль поверхностной яркости рентгеновского фона Галактики вдоль галактического экватора в эмиссион ной линии 6.7 кэВ. На графиках штриховой кривой показана поверхностная яркость Галактики в близком инфракрасном диапазоне по результатам изме рений COBE/DIRBE. Сплошной кривой на левом рисунке показан профиль поверхностной яркости в модели экспоненциального диска с параметром экс поненциального спада объемной излучательной способности z = 130 пк.

в излучении ГРФ: L320 / = 3.5 ± 0.5 1027 эрг/с/. Сравнение этого значения со значением кумулятивной излучательной способ ности, полученным в главе 1.2, позволяет заключить, что основ ной вклад в фоновое рентгеновское излучение Галактики вносится излучением галактических точечных источников малой светимо сти, а именно, аккрецирующими белыми карликами и коронально активными звездами.

Во второй части диссертации исследуется хаотическая пере менность ярких рентгеновских источников – аккрецирующих чер Эмиссионная линия 6.7 кэВ Галактическая широта Галактическая долгота 20 - 10 0 - Рис. 5: Карта поверхностной яркости Галактики в эмиссионной линии 6. кэВ. Контурами показаны области с одинаковой поверхностной яркостью Галактики в ближнем инфракрасном диапазоне ных дыр и нейтронных звезд.

В главе 2.1 описываются методы исследования переменности рентгеновского потока, которые будут использоваться в этой ча сти: метод спектров мощности, метод кросс-спектров и метод фурье-частотной спектроскопии. При описании метода спектров мощности специальное внимание уделено анализу влияния эф фектов “мертвого” времени и “окон перегрузки” при анализе дан ных спектрометра PCA обсерватории RXTE на получаемые зна чения мощности переменности.

В главе 2.2 предложена модель возникновения хаотических ва риаций рентгеновского потока аккрецирующих черных дыр, наи более полно объясняющая весь массив наблюдательных данных о рентгеновской переменности аккрецирующих черных дыр – мо дель самоподобных вариаций темпа аккреции вещества в оптиче ски тонких областях аккреционного потока на различных рассто Терзан P() (набл.) Лебедь X- (корр.) Частота, Гц Рис. 6: Спектры мощности вариаций рентгеновского потока аккрецирующей нейтронной звезды в шаровом скоплении Терзан 2 (открытые кружки) и аккрецирующей черной дыры Лебедь X-1 (кресты). Видно, что “шум” ак крецирующей нейтронной звезды на больших частотах гораздо выше, чем у аккрецирующей черной дыры, даже после домножения масштаба частот в спектре мощности вариаций потока Лебедь X-1 на соотношение масс черной дыры и нейтронной звезды яниях от компактного объекта. Показано, что излучение оптиче ски толстого аккреционного диска практически не переменно на коротких временных масштабах.

В главе 2.3 исследуются самые мелкомасштабные вариации рентгеновского потока аккрецирующих нейтронных звезд и чер ных дыр по результатам наблюдений большого числа источников обсерваторией RXTE. Получен спектр мощности вариаций рент геновского потока аккрецирующей черной дыры Лебедь X-1 в со стоянии с низкой светимостью (так называемом “низком” состоя нии, в котором амплитуда переменности его потока максимальна) с рекордной чувствительностью до фурье-частот 1 кГц. Пока зано, в спектре мощности вариаций потока источника Лебедь X- происходит обрыв на частотах порядка 100-200 Гц, что указыва ет на то, что этот временной масштаб является минимальным, на котором еще могут развиться сильные неустойчивости в аккреци онном течении.

Проведено сравнение спектров мощности вариаций рентгенов ского потока 9 аккрецирующих черных дыр и 9 аккрецирующих нейтронных звезд в “низком” спектральном состоянии. Показа но, что переменность потока излучения аккрецирующих нейтрон ных звезд продолжается до гораздо больших фурье-частот, т.е. до гораздо меньших временных масштабов. Учет разницы в массах компактных объектов не меняет этого вывода (см. рис.6). Наблю даемую разницу в характере переменности рентгеновского излуче ния этих объектов можно объяснить отсутствием твердой поверх ности у аккрецирующих черных дыр, на которой в случае аккре цирующих нейтронных звезд происходит дополнительное энерго выделение и дополнительная модуляция рентгеновского потока на малых временных масштабах.

В главе 2.4 получены ограничения на параметры аккрециру ющих нейтронных звезд в Галактике, используя спектр излуче ния пограничного слоя/слоя растекания на поверхности нейтрон ной звезды. Такой метод невозможно было использовать в преды дущих исследованиях из-за сложности разделения спектральных компонент излучения аккреционного диска и пограничного слоя.

С использованием предложенного метода фурье-частотной спек троскопии показан практический способ отделить эти две ком поненты. Полученные свойства излучения пограничного слоя на поверхности нейтронной звезды согласуются с гипотезой, что в этой области давление излучения во много раз превосходит теп ловое давление плазмы, следовательно, поток энергии излучения g R F(), фот. кэВ2/сек/см2/кэВ 1. 2. R= Масса нейтронной звезды, М Rg. R= 1. Радиус нейтронной звезды, км Энергия, кэВ Рис. 7: Слева: Энергетические спектры аккрецирующих нейтронных звезд на фурье-частотах выше 1 Гц (спектры пограничных слоев/слоев растекания на поверхности нейтронных звезд). Штриховая кривая показывает модель излучения абсолютно черного тела с температурой kTbb = 2.4 кэВ. Справа:

Ограничения на массы и радиусы нейтронных звезд в проанализированной подборке источников (левый рисунок). Прямые линии показывают области, в которых радиус нейтронной звезды равен 1.5Rg (радиус замкнутых фотон ных орбит в Шварцшильдовской метрике) и 3.0Rg (радиус последней устой чивой круговой орбиты в Шварцшильдовской метрике) с единичной поверхности пограничного слоя должен определять ся лишь гравитационным полем нейтронной звезды. Используя измеренные параметры спектра излучения поверхности аккреци рующих нейтронных звезд, получены ограничения на их массы и радиусы (рис. 7).

Основные положения, выносимые на защиту 1. Выполнены обзоры неба с обсерваторий ИНТЕГРАЛ и RXTE в рентгеновском и жестком рентгеновском диапазонах.

2. Измерен спектр внегалактического рентгеновского фона в энергетическом диапазоне 3–20 кэВ, полученный усреднени ем по большой части неба.

3. Построена функция рентгеновской светимости слабых га лактических источников (диапазон светимостей 1027 эрг/с).

4. Решен вопрос о природе фонового рентгеновского излучения Галактики. Показано, что он в основном состоит из суммар ного излучения большого количества аккрецирующих белых карликов и коронально активных звезд.

5. Предложена модель возникновения хаотических вариаций рентгеновского потока аккрецирующих нейтронных звезд и черных дыр. Показано, что эти вариации на различных вре менных масштабах возникают в результате самоподобных мо дуляций темпа аккреции вещества в аккреционном потоке на различных расстояниях от компактного объекта.

6. Исследована переменность рентгеновского потока аккреци рующих компактных объектов на самых коротких временных масштабах. Показано, что рентгеновский поток от аккреци рующих нейтронных звезд варьируется на меньших времен ных масштабах, чем рентгеновский поток от аккрецирующих черных дыр. Это можно интерпретировать как указание на отсутствие твердой поверхности у черных дыр в отличие от нейтронных звезд.

7. Предложен новый метод исследования характеристик излу чения рентгеновских источников – Фурье-частотная спектро скопия. Этот метод дал принципиально новую возможность отделять излучение геометрически различных областей ак креционных потоков на основании информации об их времен ной переменности. С помощью предложенного метода пока зано кардинальное различие в структуре переменности опти чески толстых и оптических тонких аккреционных течений.

8. Получены ограничения на величины масс и радиусов аккре цирующих нейтронных звезд по измерениям энергетических спектров пограничных слоев/слоев растекания на их поверх ностях.

Список публикаций по теме диссертации 1. Ревнивцев М.Г., Сазонов С.Ю., Мольков С.В., Лутовинов А.А, Чуразов Е.М., Сюняев Р.А., Обзор области Галакти ческой плоскости в созвездии Южного Креста в жестких рентгеновских лучах. Каталог источников, Письма в Аст рономический Журнал, 32, 163 (2006) 2. Ревнивцев М.Г., Лутовинов А.А., Сулейманов В.Ф., Мольков С.В., Сюняев Р.А., Широкополосный рентгеновский спектр промежуточного поляра V2400 Oph, Письма в Астрономи ческий Журнал, 30, 848 (2004) 3. Ревнивцев М.Г., Сюняев Р.А., Гильфанов М.Р., Чуразов Е.М., Голдвурм А., Поль Ж., Мандру П., Рок Ж.П., Обзор жест кого рентгеновского неба телескопа СИГМА обсерватории ГРАНАТ, Письма в Астрономический Журнал, 30, 582 (2004) 4. Ревнивцев М.Г. Наблюдения сильнопоглощенных источников IGR J16318-4848 и IGR J16358-4726 обсерваторией RXTE, Письма в Астрономический Журнал, 29, 644 (2003) 5. Ревнивцев М.Г., Сазонов С.Ю., Гильфанов М.Р., Сюняев Р.А., IGR J16318-4848: рентгеновский источник в плот ной оболочке?, Письма в Астрономический Журнал, 29, (2003) 6. Revnivtsev М., Gilfanov M., Boundary layer emission and Z-track in the color-color diagram of luminous LMXBs, Astron.Astroph., 453, 253 (2006) 7. Revnivtsev M., Sazonov S., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., Origin of the Galactic ridge X-ray emission, Astron.Astroph., 452, 169 (2006) 8. Sazonov S., Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R., X-ray luminosity function of faint point sources in the Milky Way, Astron.Astroph., 450, 117 (2006) 9. Revnivtsev M., Sazonov S., Churazov E., Trudolyubov S., Identication of four RXTE Slew Survey sources with nearby luminous active galactic nuclei, Astron.Astroph., 448, L49 (2006) 10. Revnivtsev M., Fabrika S., Abolmasov P., et al., Broad band variability of SS433: accretion disk at work?, Astron.Astroph., 447, 545 (2006) 11. Revnivtsev M., Gilfanov M., Jahoda K., Sunyaev R., Intensity of the cosmic X-ray backgound from HEAO1/A2 experiment, Astron.Astroph., 444, 381 (2005) 12. Gilfanov M., Revnivtsev M., Boundary layer emission in luminous LMXBs, Astronomische Nachrichten, 326, 812 (2005) 13. Suleimanov V., Revnivtsev M., Ritter H., RXTE broadband X-ray spectra of intermediate polars and white dwarf mass estimates, Astron.Astroph., 443, 291 (2005) 14. Suleimanov V., Revnivtsev M., Ritter H., RXTE broadband X-ray spectra of intermediate polars and white dwarf mass estimates, Astron.Astroph., 435, 191 (2005) 15. Revnivtsev M., Lutovinov A., Suleimanov V., Sunyaev R., Zheleznyakov V., Broadband X-ray spectrum of intermediate polar V1223 Sgr, Astron.Astroph., 426, 253 (2004) 16. Revnivtsev M. G., Churazov E. M., Sazonov S. Y., et al., Hard X-ray view of the past activity of Sgr A* in a natural Compton mirror, Astron.Astroph., 425, L49 (2004) 17. Revnivtsev M., Sazonov S., Jahoda K., Gilfanov M., RXTE all-sky slew survey. Catalog of X-ray sources at |b| 10, Astron.Astroph., 418, 927 (2004) 18. Revnivtsev M., Gilfanov M., Sunyaev R., Jahoda K., Markwardt C., The spectrum of the cosmic X-ray background observed by RXTE/PCA, Astron.Astroph., 411, 329 (2003) 19. Revnivtsev M., Distribution of the Galactic bulge emission at |b| 2 according to the RXTE Galactic Center scans, Astron.Astroph., 410, 865 (2003) 20. Gilfanov M., Revnivtsev M., Molkov S., Boundary layer, accretion disk and X-ray variability in the luminous LMXBs, Astron.Astroph., 410, 217 (2003) 21. Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., Reection and noise in the low spectral state of GX 339-4, Astron.Astroph., 380, (2001) 22. Churazov E., Gilfanov M., Revnivtsev M., Soft state of Cygnus X-1: stable disc and unstable corona, MNRAS, 321, 759 (2001) 23. Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., High frequencies in the power spectrum of Cyg X-1 in the hard and soft spectral states, Astron.Astroph., 363, 1013 (2000) 24. Gilfanov M., Churazov E., Revnivtsev M., Frequency-resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the reected emission in the soft state, MNRAS, 316, 923 (2000) 25. Sunyaev R., Revnivtsev M., Fourier power spectra at high frequencies: a way to distinguish a neutron star from a black hole, Astron.Astroph., 358, 617 (2000) 26. Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., The frequency resolved spectroscopy of CYG X-1: fast variability of the Fe K line, Astron.Astroph., 347, L23 (1999) 27. Revnivtsev M., Borozdin K., Emelyanov A., Timing analysis of the X-ray transient source XTE J1806-246 (2S1803-245), Astron.Astroph., 344, L25 (1999) 055/02/2 Ротапринт ИКИ РАН Москва, 117810, Профсоюзная, 84/ Подписано к печати.. Заказ Формат 70108/32 Тираж 100 0,9 уч.-изд.л.