Астрофизика одиночных нейтронных звезд: радиотихие нейтронные звезды и магнитары

---

<< 2. Актуальные проблемы астрофизики | Оглавление | 2.2. Физика НЗ >>

Разделы

• 2.1.1. Наблюдения в рентгеновском и гамма диапазонах
• 2.1.2. Наблюдения в радио диапазоне
• 2.1.3. Наблюдения в ИК диапазоне
• 2.1.4. Наблюдения в оптическом диапазоне

---

2.1. Наблюдения НЗ

Таблица 1. Слабые рентгеновские источники в диске Галактики (из работы Тревес и др. 2000 с дополнениями) Название источника Поток (Пульсации) [отсч./с](%) Эфф. темп. [эВ] [1020 см-2] log Период [с] RX J185635-3754 3.64(4.5%) 57 2 4.9 - RX J0720.4-3125 1.69(9%) 79 1.3 5.3 8.37 RBS1223 (1RXS J130848.6+212708) 0.29() 118 5.15 RBS1556 (RX J1605.3+3249) 0.88 100 - RX J0806.4-4123 0.38(6.2%) 78 2.5 11.37 RX J0420.0-5022 0.11() 57 1.7 22.7 RBS1774 (1RXS J214303.7+065419) 0.18 90 4.6 -

a) Отсчеты для спутника РОСАТ. Доля пульсирующего излучения взята из работы (Хаберл, Завлин 2002). b) fX и fV - потоки в рентгеновском (РОСАТ) и оптическом диапазонах, соответственно.

Наиболее обширные и длительные наблюдения НЗ - наблюдения радиопульсаров в радиодиапазоне - не входят в данный обзор. Из прочих данных самыми подробными являются рентгеновские и гамма наблюдения. В радио-, ИК- и оптическом диапазонах о НЗ получено заметно меньше сведений.

2.1.1. Наблюдения в рентгеновском и гамма диапазонах

Для одиночных радиотихих НЗ наиболее важным оказался рентгеновский диапазон. В этом пункте мы рассмотрим близкие радиотихие НЗ, слабые рентгеновские источники в шаровых скоплениях, источники в остатках сверхновых, аномальные рентгеновские пульсары и источники мягких повторяющихся гамма-всплесков.

Спутником РОСАТ открыто уже семь радиотихих нейтронных звезд. Еще один кандидат (MS 0317) был открыт ранее на обсерватории "Эйнштейн", однако в последнее время стало очевидным, что он является внегалактическим объектом (мы благодарим Г.Г. Павлова за соответствующее замечание). Это относительно яркие объекты ( отсчета в секунду). Два источника зарегистрированы в оптическом диапазоне (RX J1856 и RX J0720). Для остальных существуют только верхние пределы (см. таблицу 1). По отношению рентгеновского и оптического потоков можно считать доказанным, что эти источники являются одиночными нейтронными звездами.

В начале 90-х годов ожидалось, что спутник РОСАТ увидит большое количество одиночных старых аккрецирующих НЗ (Тревес и Колпи 1991, Блаез и Раджагопал 1991, Блаез и Мадау 1993, Колпи и др. 1993). Последующие наблюдения на этом спутнике показали наличие лишь небольшой популяции слабых рентгеновских источников в диске Галактики, которые по-видимому являются одиночными НЗ (охлаждающимися или аккрецирующими) (см. Хаберл и др. 1998, Тревес и др. 2000, Нойхойзер, Трюмпер 1999; последний кандидат описан в работе Зампьери и др. 2001). Основным аргументом в пользу такой интерпретации является аномально высокое отношение рентгеновской светимости к оптической (log ). Отсутствие радиоизлучения, а также тепловой спектр свидетельствуют о том, что объекты не являются классическими радиопульсарами.

У четырех объектов "великолепной семерки" наблюдаются пульсации рентгеновского потока с периодами 5-20 секунд. Длительные (450 000 сек) наблюдения наиболее изученного источника RX J185635-3754 (Рэнсом и др. 2001) показали отсутствие пульсаций вплоть до нескольких процентов.

Для двух источников измерены производные периода. В работе Дзане и др. (2002) получено значение для источника RX J0720.4-3125. Хамбарян и др. (2001) приводят значение для источника RBS1223.

Пфал и Раппопорт (2001) предположили, что некоторые из слабых источников в шаровых скоплениях могут быть старыми аккрецирующими одиночными НЗ. В настоящее время спутником Чандра открыто множество подобных источников и их количество стремительно продолжает расти (см. также Вербунт 2001). Для них характерны светимости порядка эрг/с. Эти объекты концентрируются к центрам скоплений. Источники характеризуются относительно мягкими спектрами - кэВ.

Популяционный синтез (см. ниже) показал, что гипотеза Пфала и Раппапорта не противоречит стандартной картине эволюции НЗ. Таким образом необходимы дальнейшие наблюдения (в первую очередь исследования переменности на разных масштабах) для определения природы этих объектов.

Для понимания ключевого вопроса о начальных параметрах НЗ крайне важным классом объектов являются источники в остатках сверхновых (обзор по механизмам вспышек см. в Янка и др. 2001). В последнее время открыто несколько компактных источников в остатках сверхновых (см. Павлов и др. 2001a). По всей видимости это молодые НЗ, многие из которых не являются радиопульсарами (см. таблицу 2). Количество радиотихих НЗ в остатках сверхновых уже сравнимо с количеством радиопульсаров в остатках. По этой теме существует обширная библиография (см. таблицу 2).

Можно выделить три основные гипотезы, объясняющие появление компактных рентгеновских источников в остатках сверхновых: тепловое излучение поверхности молодой горячей НЗ, нетепловое излучение молодого пульсара (в этом случае следует ожидать если не регистрации самого пульсара, то хотя бы возникновения плериона), возвратная аккреция на молодую НЗ (или черную дыру) вещества остатка сверхновой (fall-back).

Важными наблюдательными фактами для интерпретации природы источников являются наличие периодов и переменность рентгеновского потока. Периоды АРП и МПГ лежат в диапазоне 5-12 секунд. Другие источники обладают короткими периодами (например p=0.325 с и производная периода у источника в Kes 75 (Мерегетти и др. 2002а), p=0.424 с у источника в G296.5+10, для этого объекта также измерена производная периода (Павлов и др. 2002)). Источники в RCW 103 и G29.6+0.1 показывают существенную переменность рентгеновского излучения на больших временах, поток при этом может изменяться на порядок.

Рассмотрим трудности в интерпретации радиотихих источников на конкретном примере Cas A.

Остаток сверхновой Cas A является хорошо известным объектом, но природа компактного объекта в настоящее время неясна.

Расстояние до остатка порядка 3.4 кпк. Его радиус около 2 пк. Возраст остатка оценивается примерно в триста лет (есть указания, что вспышка сверхновой наблюдалась Флемстедом в 1680 г.). Это самый молодой из известных остатков сверхновых в нашей Галактике.

Наблюдения на спутнике Чандра дали много новых данных. Собственно компактный источник был открыт во время первых наблюдений на этом спутнике в августе 1999 г. (здесь мы следуем работам Павлова и др. 2000, Чакрабарти и др. 2001).

Компактный источник расположен практически в центре остатка. Оптические и ИК наблюдения дают только верхние пределы на излучение компактного объекта.

Сложности начинаются уже при определении светимости компактного источника. В зависимости от модели спектра (чернотельный или степенной) светимость оценивается от эрг с до эрг с. Важной особенностью является маленькая площадь ( км) излучающей поверхности во всех вариантах интерпретации спектра. Эти характеристики не дают возможности однозначно определить природу компактного источника и механизм излучения.

Радиопульсары в остатках сверхновых являются подклассом наиболее молодых пульсаров, и потому чрезвычайно важны для определения начальных параметров НЗ. Однако, до сих пор не ясно, какая доля сверхновых порождает радиопульсары. Вопросы ассоциации радиопульсаров с остатками сверхновых с наблюдательной точки зрения детально рассматривались в обзорах Каспи (1996), Лоримера и др. (1998), Готтхелфа и Васишта (2000) и статьях Брауна и др (1989), Камило и др. (2001), Нараяна и Шаудта (1988). Теоретические расчеты числа таких ассоциаций можно найти в работах Генслера и Джонстона (1995а,б,в). Трудности, связанные с определением возрастов пульсаров, недавно обсуждались на примере B1757-24 (Генслер, Фрейл 2000). АРП и МПГ в остатках сверхновых изучались Марсденом с соавторами (1999). Ранний обзор по компактным рентгеновским источникам в остатках сверхновых можно найти в работе Бразиер и Джонстона (1999). По всем этим вопросам было проведено несколько крупных международных конференций (см., например, "The relationship between neutron stars and supernova remnants"). На русском языке детальный обзор остатков сверхновых приведен в книге Лозинской (1986), а также в обзоре Блинников и др. (1987).

Пожалуй самыми "модными" объектами из всех, рассматривающихся в нашем обзоре являются АРП (Мерегетти, Стелла 1995, ван Парадайз и др. 1995) и МПГ (Мазец и др. 1979, см. также обзор ранних наблюдений в Мазец, Голенецкий 1987).

МПГ представляют собой объекты, демонстрирующие случайные (непредсказуемые) периоды вспышечной активности в мягком ( кэВ) гамма-диапазоне (см. каталог МПГ в статье Аптекарь и др. 2001). Периоды активности длятся от дней до месяцев. Вспышки соответствуют светимости выше эддингтоновской для объекта солнечной массы. Иногда происходят гигантские вспышки, которые характеризуются более жестким спектром и энергией в тысячи раз больше, чем выделяется в обычной вспышке.

В спокойном состоянии МПГ наблюдаются как относительно мягкие рентгеновские источники. Всего на данный момент известно 4 таких источника: SGR 1900+14 (p=5.16 с), SGR 1806-20 (p=7.47 с), SGR 1627-41 (p=6.4 с), SGR 0525-66 (p=8 с). (см. обзоры в Израел и др. 2001, Мерегетти 1999, Харлей 1999, Томпсон 2000). Некоторые из них находятся в остатках сверхновых, однако степень достоверности генетической связи между МПГ и остатками остается под вопросом (см. таблицу 2). Источник SGR 1806-20 находится в скоплении массивных звезд (Эйкенберри 2002).

АРП были выделены в отдельный класс в 1995 году. Они характеризуются близкими периодами порядка 6-12 секунд (1E 1048.1-5937 - 6.44 с; 4U 0142+61 - 8.69 с; 1E 1841-045 - 11.77 с; 1E 2259+586 - 6.98 с; 1RXS J170849.0-400910 - 10.99 с; AX J1845-0258 - 6.97 с), низкими светимостями ( эрг с) и более мягким спектром, чем у обычных рентгеновских пульсаров в тесных двойных системах, стабильной светимостью на больших масштабах времени (обычно для рентгеновских пульсаров в тесных двойных системах характерна заметная переменность), постоянным замедлением (т.е. отсутствием эпизодов уменьшения периода вращения) и отсутствием данных о наличии второго компонента системы (см. обзоры Мерегетти 1999, Томпсона 2000 и Мерегетти и др. 2002б).

Сейчас уже не вызывает больших сомнений то, что АРП являются одиночными НЗ (не исключены только очень маломассивные компаньоны). Однако, природа светимости (аккреция или тепловое излучение горячей звезды) остается неизвестной. Вероятно наиболее важную информацию можно получать из детальных данных об изменении периодов этих объектов (Гавриил, Каспи 2002, Пол и др. 2000), а также из спектральных характеристик (особенно во время вспышек см. Марсден и Вайт 2001, Перна и др. 2001). Для получения этой информации необходим мониторинг (см. Готтхелф и др. 2001, Гавриил и др. 2001).

В последнее время появились результаты по рентгеновской спектроскопии АРП и МПГ. Спутник Чандра наблюдал АРП 4U 0142+61 (Джюэт и др. 2002). Не было найдено никаких указаний на присутствие в спектре эмиссионных или абсорбционных линий. Если источник является магнитаром, то эти данные накладывают существенные ограничения на модель атмосферы.

Особое место среди одиночных радиотихих НЗ занимает Геминга (однако, на очень низких частотах удалось зарегистрировать и радиоизлучение от этого объекта, см. Кузьмин и Лосовский 1997, Малофеев и Малов 1997, Шитов и Пугачев 1998). Объект Геминга (см. Каравео 2000, Биньями, Каравео 1996) был открыт в гамма диапазоне в 1973 г. на спутнике SAS-2. В 1992 г. Хальперн и Холт объявили об открытии периода 237 мс. Источники данного типа очень трудно обнаружить, поэтому доля подобных НЗ неизвестна даже примерно. Вероятно, что Геминга это радиопульсар, чей основной пучок излучения не попадает на Землю, поэтому удается наблюдать лишь низкочастотное радиоизлучение. Ожидается, что будущие спутники (GLAST и др.) смогут увидеть в жестком диапазоне сотни НЗ такого типа в Галактике. Сегодня известен обдин объект очень похожий по всоим свойствам не гемингу - 3EG J1835+5918 (Мирабал, Гальперн 2001)

2.1.2. Наблюдения в радио диапазоне

В настоящее время основная масса нейтронных звезд наблюдаются как радиопульсары. Сейчас число известных источников этого типа перевалило за тысячу, а в будущем с созданием километровой антенной решетки станет возможным наблюдение практически всех радиопульсаров в Галактике, чей пучок направлен на нас (Браун 1996). В связи с этим оказывается очень важным пытаться пронаблюдать все НЗ в этом диапазоне.

В большинстве моделей радиоизлучения НЗ конус излучения шире в низкочастотной области, поэтому активные поиски радио сигналов от "нестандартных" НЗ ведутся в ПРАО АКЦ ФИ РАН на низких частотах (порядка 110 Мгц). Уже зарегистрировано радиоизлучение Геминги (Кузьмин и Лосовский 1997, Малофеев и Малов 1997, Шитов и Пугачев 1998), одного источника повторяющихся гамма-всплесков (Шитов и др. 2000) и одного аномального рентгеновского пульсара (Малофеев, Малов, см. astro-ph/0106435 стр.31). В связи с уникальностью радиотелескопа ПРАО эти результаты пока не имеют надежного независимого подтверждения, кроме регистрации Геминги (см. Ватс и др. 1997). Отсутствие излучения на более высокочастотной части радио диапазона может свидетельствовать о крутом спектре.

2.1.3. Наблюдения в ИК диапазоне

Наблюдения в ИК диапазоне относятся в основном к аномальным рентгеновским пульсарам. Для объяснения этих источников предложено существование остаточных аккреционных дисков (см. ниже раздел, посвященный аккреции). Для выбора между существующими моделями и необходимы ИК наблюдения.

Для источника AXP 1E2259+58.6 получены данные, указывающие на наличие ИК объекта (Халлеман и др. 2001). Клозе и др. (2002) сообщают об отрицательных результатах ИК наблюдений источника SGR 1900+14.

Пока полученные результаты свидетельствуют об отсутствии аккреционных дисков или маломассивных компонентов у АРП и МПГ. Однако, необходимы дальнейшие исследования.

2.1.4. Наблюдения в оптическом диапазоне

Наблюдения одиночных НЗ всех типов в оптическом диапазоне представляют большой интерес (см. Каравео 2000).

Начнем с семи одиночных радиотихих НЗ, открытых спутником РОСАТ. Эти объекты были выделены как возможные НЗ именно по большому отношению рентгеновской светимости к оптической (см. таблицу 1). Лишь два источника достоверно зарегистрированы в оптике. Для остальных известны только верхние пределы.

Возможной интерпретацией рентгеновского потока от объектов "великолепной семерки" является тепловое излучение поверхности молодой НЗ. В связи с этим важно зарегистрировать тепловое излучение в других спектральных диапазонах.

Наблюдения НЗ активно ведутся на Космическом телескопе. Так по наблюдениям SGR 0526-66 (Каплан 2001а) получены важные ограничения на обе модели (аккреционную и магнитарную).

Много наблюдательных данных получено по источникам RX J1856 и RXJ0720. В частности, для RX J1856 удалось определить параллакс (первым, но с существенной ошибкой, параллакс получил Волтер (2001), уточненнение этого значения было сделано в (Каплан и др. 2001б), а затем в (Волтер, Латтимер 2002)). Расстояние до объекта равно  пк.

Предложено оптическое отождествление для аномального пульсара 4U 0142+614 (Халлеман и др. 2000). Для нескольких источников получены важные верхние пределы (Израел и др. 2001).

Особое место занимают оптические наблюдения Геминги (см. Биньями и Каравео 1996).

Кроме наблюдения оптического излучения от самой НЗ важным является наблюдение ее самых близких окрестностей. Так наблюдение туманностей вокруг радиопульсаров позволило сделать заключение о скорости их движения и о том, что на измеренном расстоянии от них истекают потоки частиц, а не электромагнитного излучения. Ван Керквийк и Кулкарни (2001) обнаружили в кометообразную туманность вокруг источника RX J1856. Это открытие является существенным аргументом против аккреционной интерпретации излучения данного объекта.

В нашей стране оптическими наблюдениями НЗ активно занимаются две группы на 6-метровом телескопе в САО РАН (Курт и др. 1997, Копцевич и др. 2001, Голден и др. 2000 и Бескин, Неустроев 2001). Пока положительный результат получен только для радиопульсаров и Геминги, но наблюдения продолжаются. Оригинальными результатами последней группы было обнаружение отсутствия микроструктуры оптического импульса и наличие оптического излучения (для пульсара в Крабе) в межимпульсном промежутке.

---

<< 2. Актуальные проблемы астрофизики | Оглавление | 2.2. Физика НЗ >>

Публикации с ключевыми словами: нейтронные звезды - рентгеновские источники - аномальные рентгеновские пульсары - аккреция - Межзвездная среда - Магнитары Публикации со словами: нейтронные звезды - рентгеновские источники - аномальные рентгеновские пульсары - аккреция - Межзвездная среда - Магнитары

См. также: Краткая история быстрых радиовсплесков GW200115: моделирование слияния черной дыры и нейтронной звезды Карта горячих пятен на поверхности нейтронной звезды J0030 Необычный сигнал может свидетельствовать о разрушении нейтронной звезды черной дырой Одиночная нейтронная звезда в остатке сверхновой Е0102-72.3 NGC 4993: галактический дом исторического взрыва GW170817: регистрация излучения разных видов от явления слияния Все публикации на ту же тему >>