II.               РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

2.1. Фундаментальные и прикладные научные исследования в области астрофизики и радиоастрономии

 

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

Гос. регистрация № 0120.0 602990

 

Научный руководитель академик Р.А. Сюняев

 

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

 

Определение природы фонового рентгеновского излучения Галактики

Одной из интереснейших проблем современной рентгеновской астрофизики является проблема происхождения рентгеновского фона Галактики. Еще в 70-х годах прошлого века было обнаружено, что наряду с яркими точечными источниками рентгеновского излучения в Галактике присутствует слабое излучение, распределенное вдоль галактического диска и имеющее спектральные свойства, характерные для излучения горячей оптически тонкой плазмы.  Долгое время господствовавшие гипотезы о диффузном происхождении этого излучения наталкивались на трудности, связанные, в основном, с тем, что диффузная плазма такой большой температуры (>5-10 кэВ) не может быть удержана в галактической плоскости. В представляемом цикле работ показано, что  галактический рентгеновский фон (ГРФ) обязан своим происхождением суммарному излучению большого количества рентгеновских источников с малой светимостью -- аккрецирующих белых карликов и коронально активных звезд.

Основу подхода, обеспечившего успешное решение поставленной задачи, составили разносторонние исследования рентгеновского излучения Галактики --исследование морфологии фонового излучения, а так же составление ``переписи'' галактических рентгеновских источников малой светимости, позволившей  впервые сделать количественную оценку объемных и удельных плотностей различных классов рентгеновских источников в Галактике.

  Решение поставленной задачи разделилось на несколько частей:

1)  При помощи обзора неба обсерватории RXTE построена карта поверхностной яркости галактического рентгеновского фона (за исключением области ~1 градус вокруг центра Галактики, разрешение которой было невозможно при помощи использовавшихся инструментов). Показано, что излучение рентгеновского фона Галактики морфологически состоит из балджа/бара и диска,  параметры которых в точности повторяют параметры таких же компонент в распределении звезд в Галактике. Это позволило ввести параметризацию излучательной способности ГРФ в единицах рентгеновской светимости единичной звездной массы (L_x/M).Значение удельной рентгеновской светимости ГРФ в диапазоне 3--20 кэВ:  L_x/M=(3.5+/-0.5) 10^27 эрг/с/М_Солнца Эти наблюдательные факты являются ключевыми для определения природы галактического фонового излучения. Любая модель, объясняющая его  формирование, обязана предсказывать  прямую пропорциональность между объемной плотностью звезд в Галактике и объемной излучательной способностью ГРФ, коэффициент пропорциональности  должен быть равен значению L_x/M, приведенному выше.

2) При помощи обзоров неба обсерваторий ИНТЕГРАЛ, RXTE и РОСАТ получены каталоги источников различных классов, покрывающих диапазон светимостей от 10^{27} до 10^{39} эрг/сек. Каталог галактических источников на  галактических широтах |b|>10 градусов, имеющий хорошо определенные статистические свойства, впервые позволил построить функцию светимости галактических источников в диапазоне светимостей 10^{27}-10^{34} эрг/сек.Показано, что на значениях L_x~10^{30}-10^{31} эрг/сек функция светимости галактических источников имеет широкий пик, обусловленный наличием большого числа аккрецирующих белых карликов и коронально активных звезд. Полученное значение удельной (на единицу звездной  массы) кумулятивной излучательной способности слабых галактических  рентгеновских источников в окрестностях Солнца в энергетическом  диапазоне 3-20 кэВ: L_x/M=(5.3+/-1.5)x 10^{27} эрг/сек/М_Солнца без учета вклада молодых звезд и 6.2+/-1.5x10^{27}  эрг/сек/М_Солнца с учетом вклада  молодых звезд. Такая излучательная способность галактических источников малой светимости достаточна для формирования фонового рентгеновского излучения Галактики.

3) Показано, что спектр излучения ГРФ можно составить из спектров  излучения известных классов слабых рентгеновских источников --  аккрецирующих белых карликов и коронально активных звезд.

 

Рис. 1. На рисунке показано, что распределение поверхностной яркости Галактики в рентгеновском диапазоне соответствует распределению поверхностной яркости Галактики в инфракрасном диапазоне, который показывает поверхностную плотность звезд.

 

Revnivtsev M., Sazonov S., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R.,  "Origin of the Galactic ridge X-ray  emission", Astronomy & Astrophysics,  452, 169 (2006)

Sazonov S., Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., Sunyaev R.,  "X-ray luminosity function of faint point sources in the Milky Way", Astronomy & Astrophysics,  450, 117 (2006)

Revnivtsev M., Molkov S., Sazonov S., "Map of the Galaxy in the 6.7 keV emission line", 373, L11 (2006)

 

Диффузия тяжелых элементов в центрах скоплений галактик и движения газа.

 

Построена простая теоретическая модель, связывающая эволюцию распределения тяжелых элементов в горячем газе скоплений галактик с турбулентным перемешиванием газа. Измерены эффективные коэффициенты диффузии, которые (в рамках модели) определяются произведением характерной скорости и размера турбулентных вихрей. В предположении, что диссипация этих турбулентных движений (темп которой зависит от другой комбинации скорости и размера) обеспечивает нагрев газа  в скоплениях, измерены одновременно и скорости и пространственные масштабы движений. Полученные значения неплохо согласуются с гипотезой, что активность сверхмассивных черных дыр в центрах скоплений вызывает движения газа.

 

 

Рис.2. Ограничения на характерные скорости и пространственные масштабы турбулентных движений газа в центре богатого скопления галактик, полученные из анализа переноса тяжелых элементов и темпа диссипации турбулентности.

 

П.Ребуско, Е.Чуразов, Х.Борингер, В.Форман, 2006,  «Effect of turbulent diffusion on iron abundance profiles», MNRAS, 372, 1840.

 

Новый устойчивый индикатор-заменитель массы скоплений галактик, получаемый в рентгеновском диапазоне

Представлено сравнение "заменителей" массы скоплений галактик, основанных на использовании рентгеновских характеристик, включающих в себя спектральную температуру TX, массу межгалактического газа Mg и новую характеристику, YX, являющуюся простым произведением TX и Mg. Для калибровки связи между массой и данными характеристиками использованы искусственные рентгеновские наблюдения скоплений из космологических расчетов.

Kravtsov, Andrey V., Vikhlinin, Alexey, & Nagai, Daisuke 2006,
Astrophysical Journal ,A New Robust Low-Scatter X-Ray Mass Indicator for Clusters of Galaxies

 

Разработка процедуры моделирования методом Монте-Карло для учета систематических ошибок калибровок рентгеновской обсерватории «Чандра»

Представлен метод Монте-Карло, позволяющий учесть неточности калибровки в виде систематических погрешностей при анализе наблюдений рентгеновской обсерватории Чандра.

Drake, Jeremy J., Ratzlaff, Peter, Kashyap, Vinay, Edgar, Richard, Izem, Rima, Jerius, Diab, Siemiginowska, Aneta, & Vikhlinin, Alexey 2006, Observatory Operations: Strategies, Processes, and Systems. Edited by Silva, David R.; Doxsey, Rodger E.. Proceedings of the SPIE, Volume 6270, pp. (2006). Monte Carlo processes for including Chandra instrument response uncertainties in parameter estimation studies

Обзор скоплений галактик телескопом Чандра

Представлены предварительные результаты поиска скоплений галактик в рентгеновских изображениях, полученных орбитальной обсерваторией Чандра.

Barkhouse, W. A., Green, P. J., Vikhlinin, A., Kim, D.-W., Perley, D., Cameron, R., Silverman, J., Mossman, A., Burenin, R., Jannuzi, B. T., Kim, M., Smith, M. G., Smith, R. C., Tananbaum, H., & Wilkes, B. J. 2006, Astrophysical Journal ChaMP Serendipitous Galaxy Cluster Survey

 

Эволюция соотношения масса-температура для скоплений алактик
Представлено исследование эволюции соотношения масса-температура для скоплений галактик с использованием наблюдений, полученных обсерваторией Чандра.

Kotov, O. & Vikhlinin, A. 2006, Astrophysical Journal Chandra Sample of Galaxy Clusters at z =3D 0.4-0.55: Evolution in the Mass-Temperature Relation


Исследование оптических и инфракрасных свойств источников Чандра

В работе представлено исследование оптических и инфракрасных свойств источников рентгеновского излучения, найденных в рамках обзора площадки 9.3 кв. градуса в созвездии Волопаса

Brand, Kate, Brown, Michael J. I., Dey, Arjun, Jannuzi, Buell T., Kochanek, Christopher S., Kenter, Almus T., Fabricant, Daniel, Fazio, Giovanni G., Forman, William R., Green, Paul J., Jones, Christine J., McNamara, Brian R., Murray, Stephen S., Najita, Joan R., Rieke, Marcia, Shields, Joseph C., & Vikhlinin, Alexey 2006, Astrophysical Journal The  Chandra XBootes Survey. III. Optical and Near-Infrared Counterparts

 

Алгоритм нахождения средней температуры рентгеновского спектра тонких плазм

Представлен точный алгоритм, позволяющий предсказать среднюю температуру, измеренную с помощью фитирования рентгеновского спектра, для смеси излучения оптически тонких плазм разной температуры и металличности.

Vikhlinin, Alexey 2006, Astrophysical Journal Predicting a Single-Temperature Fit to Multicomponent Thermal Plasma Spectra


Исследование ближайших скоплений галактик

Проведены детальные наблюдения 13 близких скоплений галактик спутником Чандра использованы для измерений масс, профилей плотности, и определения  нормировки соотношения масса-температура.

Vikhlinin, A., Kravtsov, A., Forman, W., Jones, C., Markevitch, M., Murray, S. S., & Van Speybroeck, L. 2006, Astrophysical Journal Chandra Sample of Nearby Relaxed Galaxy Clusters: Mass, Gas Fraction, and Mass-Temperature Relation

 

Наблюдения рентгеновского источника KS 1731–260 телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТ

Представлены результаты наблюдений телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТ транзиентного  рентгеновского барстера KS 1731–260. Наблюдения были выполнены в 1990–1991 гг. на начальном этапе 12-летнего периода активности источника, в то время, когда исследования другими рентгеновскими обсерваториями не проводились. Показано, что поток излучения KS 1731–260 систематически падал, формируя отдельную начальную “минивспышку” источника длительностью ~2.5 года. Падение потока сопровождалось увеличением жесткости спектра излучения KS 1731–260 и усилением его всплесковой активности –– в последних сеансах наблюдений, когда поток упал на 40–60%, были зарегистрированы два рентгеновских всплеска. Их анализ показал, что они произошли в среде с заметным содержанеим водорода, т.е. эффективность обогащения вещества в нижних слоях атмосферы нейтронной звезды в процессе квазистационарного горения водорода была невысокой. Для исследования спектра непрерывного излучения источника была впервые применена модель BDLE, предложенная Гребеневым и др. (2006) для описания спектров излучения аккрецирующих нейтронных звезд со слабым магнитным полем. Модель учитывает две спектральных компоненты, связанных с излучением “пограничного слоя”, образующегося в месте соприкосновения аккреционного диска и поверхности нейтронной звезды, и излучением собственно аккреционного диска. Модель достаточно хорошо аппроксимировала наблюдаемые спектры излучения источника и позволила оценить такие параметры системы, как наклонение аккреционного диска, болометрическую светимость (темп аккреции), температуру внешних слоев погранслоя. Было показано, что в случае KS 1731–260 излучение “погранслоя” формировалось в экспоненциальной атмосфере умеренной оптической толщи по томсоновскому рассеянию, в условиях, когда комптонизация не успевала сформировать виновский спектр, а лишь модифицировала тепловой спектр излучения плазмы.

И. В. Человеков, С. А. Гребенев, Р. А. Сюняев, Письма в АЖ, 2006, том 32,№3, с. 187–198

 

Обработка и анализ научной информации проекта Интеграл.

 

Измерение космического рентгеновского фона с помощью затмения Землей.

 

Обсерватория ИНТЕГРАЛ провела серию наблюдений диска Земли, в которых Земля пересекала поля зрения каждого из приборов обсерватории. Видимый угловой размер Земли менялся от нуля до примерно 100-200 квадратных градусов. Изменение потока было использовано для определения спектра (в диапазоне 5-200 кэВ) космического рентгеновского излучения, создаваемого далекими активными ядрами галактик и квазарами.  Был также рассчитан спектр излучения атмосферы Земли, бомбардируемой космическими лучами и эффективность отражения рентгеновского излучения атмосферой при комптоновском рассеянии.     Полученная форма спектра фонового излучения хорошо согласуется с измерениями спутника HEAO-1, а нормировка  (вблизи максимума потока энергии) примерно на 10% превышает исторические измерения. Следовательно, полное энерговыделение во Вселенной, связанное с ростом сверхмассивных черных дыр, было занижено  на эти 10%.  Результаты измерений подтверждают гипотезу о преимущественно радиационно-эффективном росте сверхмассивных черных дыр. 

 

 

 

Рис.3. Схема проведения наблюдений Земли обсерваторией ИНТЕГРАЛ. Земля пересекала поля зрения телескопов (показанные серыми линиями) во время наблюдения. Изменение измеряемого потока отражает телесный угол, затмеваемый Землей.

 

Рис.4. Красными точками показан спектр космического рентгеновского фонового излучения, измеренный обсерваторией ИНТЕГРАЛ.

 

Е.Чуразов и др., 2006, «INTEGRAL observations of the cosmic X-ray background in the 5-100 keV range via occultation by the Earth», Astronomy and Astrophysics, submitted, astro-ph/0608250

С.Сазонов, Е.Чуразов, Р.Сюняев, М.Ревнивцев,  2006, «Hard X-ray emission of the Earth's atmosphere: Monte Carlo simulations», MNRAS, submitted, astro-ph/0608253

Е.Чуразов, С.Сазонов, Р.Сюняев, М.Ревнивцев,  2006, «Earth X-ray albedo for CXB radiation in the 1-1000 keV band», MNRAS, submitted, astro-ph/0608252

Исследовано изменение циклотронной частоты пульсара от светимости

Впервые подробно исследовано изменение циклотронной частоты со
светимостью и показано, что для пульсара V0332+53 она растет линейно
с уменьшением светимости так же, как и высота ударной волны в
аккреционной колонке. Получены оценки величины магнитного поля на
поверхности нейтронной звезды и высоты ударной волны в аккрецируемой
плазме. Кроме того, впервые показано, что и вторая гармоника
циклотронной частоты ведет себя подобным образом.
Обнаружены значительные изменения формы профиля импульса в зависимости
от светимости и энергетического диапазона (особенно в районе
циклотронной частоты).

Tsygankov, S. S., Lutovinov, A. A., Churazov, E. M., & Sunyaev, R. A.,  “V0332+53 in the outburst of 2004-2005: luminosity dependence of the cyclotron line and pulse profile” , 2006, MNRAS, 371, 19

 

Жёсткие рентгеновские всплески, зарегистрированные телескопом IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ В 2003–2004 гг.

С целью поиска рентгеновских всплесков проведен анализ данных всех наблюдений, выполненных телескопом IBIS орбитальной обсерватории ИНТЕГРАЛ в течение первых полутора лет работы на орбите (с 10 февраля 2003 г. по 2 июля 2004 г.). Во временной записи полной скорости счета детектора IBIS/ISGRI в диапазоне энергий 15–25 кэВ выявлено 1077 всплесков длительностью от ~5 до ~500 с, удовлетворяющих высокому критерию статистической достоверности.

И. В. Человеков, С. А. Гребенев, Р. А. Сюняев, Письма в АЖ, , 2006, том 32,№7, с. 508–530