Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Спектральные признаки отличия рентгеновских двойных систем с черными дырами и нейтронными звездами  (или как отличить нейтронную звезду от черной дыры в аккрецирующих рентгеновских          
двойных системах?)

Спектральные признаки отличия рентгеновских двойных систем с черными дырами и нейтронными звездами


(или как отличить нейтронную звезду от черной дыры в аккрецирующих рентгеновских двойных системах?)


Сейфина.Е.В.* и Титарчук Л.Г.**

* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, seif@sai.msu.ru

** Dipartimento di Fisica, Universita` di Ferrara, Ferrara, Italy


Ключевые слова: черные дыры - рентгеновские двойные - аккреционный диск - рентгеновское излучение - нейтронные звезды



Дается краткий научно-популярный обзор серии работ по одной из ключевых проблем астрофизики последних двух десятилетий - поиску/исследованию наблюдательных спектральных признаков, отличающих нейтронные звезды от черных дыр, входящих в состав аккрецирующих рентгеновских двойных систем.


Введение


Предлагаемый обзор преследует цель существенно расширить имеющиеся представления о различии наблюдательных проявлений для двойных систем с нейтронными звездами (НЗ) и с черными дырами (ЧД) по рентгеновским данным. Анализ и систематизация спектральных признаков позволили сформулировать наблюдательную теорему, согласно которой основной параметр спектра - фотонный индекс Г - демонстрирует совершенно разное поведение во время смены спектральных состояний объекта в случае наличия нейтронной звезды и в случае черной дыры в такой двойной системе. А именно, стабильность (постоянство) фотонного индекса рентгеновского спектра на уровне Г=2 независимо от состояния перехода сразу указывает на наличие нейтронной звезды в двойной системе. В то время как монотонное возрастание фотонного индекса от 1.5 до 3 при смене спектральных состояний, сопровождающейся изменениями скорости аккреции, с характерным участком насыщения при высоких значениях темпа аккреции вещества, является ключевым признаком наличия черной дыры в такой двойной системе. Используя сформулированную схему, протестированную на обширном множестве компактных объектов (напр., в публикациях [1-5]), можно утверждать, что для наблюдательной диагностики природы компактного объекта этим способом нужно лишь детектировать объект во время переходных состояний, по сути, во время смены фаз активности, и проанализировать поведение спектра фотонов, в частности, установить зависимость фотонного индекса от величины темпа аккреции вещества на компактный объект.


Что подразумевается под спектральными состояниями рентгеновских двойных систем?


Прежде чем сформулировать сущность способа диагностирования, напомним основную классификацию спектральных состояний, которая базируется на синтезе как спектральных, так и временных свойств рентгеновских двойных систем. Для систем с черными дырами, следуя обзору Ремилларда и МакКлинтока [6], можно выделить пять основных состояний: спокойное (quiescent), состояние низкой светимости с жестким спектром (low-hard state, LHS), промежуточное состояние (intermediate state, IS), состояние высокой светимости с мягким спектром (high-soft state, HSS) и состояние с очень мягким спектром (very soft state, VSS), приведенные на рис.1. Каждое состояние характеризуется разной формой энергетического спектра (см. пример изменения формы спектра системы с черной дырой GRS 1915+105 [3] на Рис.2) и временными характеристиками [1, 2, 7, 8].


Рис.1. Предполагаемый сценарий переходов между спектральными состояниями в рентгеновских двойных системах (РДС) с черными дырами (по Ремилларду и МакКлинтоку [6]). Указаны элементы модели: аккреционный диск, переходный слой, сходящийся поток на ЧД; и схематично отмечено изменение вклада излучения аккреционного диска и переходного слоя при переходе РДС в направлении к мягким состояниям.


Рис.2. Пример изменения формы спектра при смене спектральных состояний для двойной системы с черной дырой GRS 1915+105: четыре спектральные диаграммы в единицах ExF(E) зарегистрированные со спутника RXTE во время состояния низкой светимости с жестким спектром (LHS), переходного состояния (IS), состояния высокой светимости с мягким спектром (HSS) и состояния с очень мягким спектром (very soft states, VSS). (Рисунок заимствован из работы [3]).


Для транзиентных систем с нейтронными звездами можно выделить четыре основных состояния: спокойное, состояние низкой светимости с жестким спектром, промежуточное состояние и состояние высокой светимости с мягким спектром (по Хасингеру и ван дер Клису [9]). Выделяют более детальную классификацию спектральных состояний НЗ для двух подклассов: так называемых "atoll-" и "Z-"источников, которые отличаются уровнем средней светимости, а также спектральными и временными характеристиками. Исторически сложилось, что для этих подклассов НЗ закрепились свои специфические названия состояний, несмотря на то, что в последнее время делаются уверенные попытки объединить спектральные состояния atoll- и Z-источников между собой и представить унифицированную схему (см. работу Чёрч и др. [10], и исследования Лин и др. [11]). Однако в данном обзоре, конечно, будет использована устоявшаяся (общепринятая) терминология. Итак, для atoll-источников выделяют следующие состояния: Island (IS), Extreme Island (EIS), Left Lower Banana (LLB), Lower Banana (LB) и Upper Banana (UB), для наглядности указанные на цветовой диаграмме (см. рис.3, левая панель). В то время как для Z-источников характерны последовательные переходы между тремя состояниями: Horizontal Branch (HB), Normal Branch (NB) и Flaring Branch (FB) (см. рис.3, правая панель).


Рис.3. Типичные цветовые диаграммы для atoll- (левая панель) и Z-источников (правая панель). Для atoll источников показано extreme island state (EIS), island state (IS), lower left banana state (LLB) и lower banana (LB). Для Z-источников: horizontal branch (HB), normal branch (NB) и flaring branch (FB). Рисунок заимствован из работы ван Страатена [12]).


Каждое состояние характеризуется разной формой энергетического спектра (см. пример изменения формы спектра системы с нейтронной звездой 4U 1820-30 [5] на Рис.4) и временных характеристик [12].


Рис.4. Пример изменения формы спектра при смене спектральных состояний для двойной системы с нейтронной звездой 4U 1820-30: шесть спектральных диаграмм в единицах ExF(E) зарегистрированные со спутника RXTE во время состояния низкой светимости с жестким спектром (island состояние) и состояний высокой светимости с мягким спектром (banana состояние), которые сопоставлены с различными электронными температурами плазмы переходного слоя в Island состоянии [kTe=2.9 кэВ (красный), 3 кэВ (синий), 4 кэВ (зеленый)] и в Banana состоянии [6 кэВ (фиолетовый), 10 кэВ (малиновый) and 12 кэВ (черный)] при использовании XSPEC модели wabs (Blackbody+COMPTB+Gaussian). (Рисунок заимствован из работы Титарчука и др. [5])


Почему следует использовать модели "из первых принципов"?


О том, как отражается переход объекта в другое состояние на форме энергетического спектра, уже было показано на примере двух систем с ЧД (GRS 1915+105) и НЗ (4U 1820-30). При этом следует отметить важность выбора моделей, с одной стороны, применимых к анализу рентгеновского излучения ЧД и НЗ, и, с другой стороны, целесообразных для возможности сравнения результатов такой интерпретации. В последнее время все большее применение в астрофизике приобрело т.н. моделирование из "первых принципов", т.е. обоснование какого-либо явления из естественных законов природы без привлечения дополнительных эмпирических предположений или специальных моделей. Например, такими моделями из первых принципов (т.е. "из первых основополагающих принципов без привлечения дополнительных эмпирических предположений"), применимыми к анализу рентгеновского излучения ЧД и НЗ являются, модели CompTT [13], BMC [14], CompTB [15], распространенные в виде пользовательских программ пакета XSPEC (http://heasarc.gsfc.nasa.gov/xanadu/xspec/manual/manual.html). При этом интерпретация рентгеновских спектров в рамках таких моделей проводится с учетом значительной роли Комптонизации излучения плазмы аккреционного диска в окрестности компактных источников (одинаково применимо к ЧД и НЗ в качестве компактного источника). Применение таких принципиально одинаковых спектральных моделей к анализу рентгеновского излучения РДС с НЗ и ЧД позволяет систематизировать наблюдательные особенности этих двух классов компактных объектов во время переходов между спектральными состояниями с максимальной эффективностью. Схематические представления моделей для систем с ЧД и НЗ показаны на рис.5 и 6. Видно, что в обоих случаях привлекается одна и та же композиция спектральных компонентов: чернотельное излучение диска (напр., модель Bbody), Комптонизированное излучение переходного слоя (напр., модели CompTB, CompTT, BMC, которые учитывают одни и те же основные физические процессы формирования излучения; отличаются лишь набором входных/выходных параметров; конкретный тип модели предназначен для удобства сравнительного анализа). Основное практическое отличие моделей для систем с ЧД и НЗ связано с т.н. областью сходящегося потока, которая в случае ЧД вносит значительный вклад в результирующий рентгеновский спектр (преимущественно, в жесткой области), хотя для систем с НЗ вклад этой зоны пренебрежимо мал. Но модель в случае НЗ формально учитывает и эту зону, обеспечивая однородность моделирования для возможности оптимального сравнения результатов для случая с ЧД и с НЗ.


Рис.5. Схематическое представление зон тепловой и динамической Комптонизации, используемое для спектрального анализа в модели с переходным слоем для источников, содержащих ЧД. Комптонизационная составляющая спектра формируется во внутренних областях переходного слоя, где фотоны чернотельного излучения диска Комптонизируются при тепловой и динамической Комптонизации при взаимодействии с электронами втекающего вещества (красные стрелки). Чернотельная составляющая спектра формируется в аккреционном диске и часть ее фотонов видна для земного наблюдателя, не подвергаясь процессу Комптонизации (синие стрелки).


Обобщенная модель для фитирования рентгеновс