WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Характеристики пеpиодических пpоцессов в жестком излучении pентгеновских двойных звезд по данным эксперимента на станции прогноз-9

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

на правах рукописи

Богомолов Виталий Владимирович

Характеристики пеpиодических пpоцессов в жестком излучении pентгеновских двойных звезд по данным эксперимента на станции "Прогноз-9"

01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

к.ф.-м.н. Кудрявцев Михаил Иванович

Москва, 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им.

Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Кудрявцев Михаил Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Липунов Владимир Михайлович

кандидат физико-математических наук

Акимов Валерий Васильевич

Ведущая организация: Институт Астрономии Российской

академии наук

Защита состоится _________________ 1999 года в _____ час.

в Институте Космических исследований Российской академии наук по адресу:

Москва, ГСП-7, Профсоюзная 84/32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан _________________ 1999 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета к.т.н. Нестеров В.Е.

Общая характеристика работы.

Цель работы. Настоящая работа посвящена поиску и исследованию характеристик периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении (10-200 кэВ) астрофизических источников. Поиск осуществлялся на основе базы данных, полученной в эксперименте на станции «Прогноз-9», в ходе которого в течение нескольких месяцев проводились непрерывные наблюдения областей неба в районе центра Галактики, галактического антицентра, а также удаленных от галактической плоскости.

Актуальность проблемы. Наблюдение периодических процессов в рентгеновском излучении галактических источников позволяет получать информацию о физических процессах в тесных двойных звездных системах. Исследование периодических процессов в часовом и суточном (несколько суток) диапазоне периодов актуально, поскольку согласно имеющимся представлениям именно в этом диапазоне лежат величины орбитальных периодов тесных двойных систем. Исследование периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении таких систем может способствовать идентификации оптического компонента, построению динамической модели системы, определению массы компактного объекта, а также дать информацию об энергетике процессов в таких объектах, о характере обмена энергией и импульсом между ее компонентами.

Важным представляется вопрос о наличии периодических составляющих в транзиентных источниках и их свойствах. Особенно актуально исследование в этом направлении рентгеновских новых, многие из которых, согласно имеющимся оценкам массы компактного объекта, относятся к кандидатам в черные дыры. В настоящее время известны случаи наблюдения периодических процессов в рентгеновском излучении таких источников, тем не менее эта проблема требует дальнейших исследований. Важно выяснить, насколько часто могут наблюдаться периодические процессы во время вспышек рентгеновских новых и каким образом меняются их характеристики.

По-прежнему остается открытым вопрос о том, каковы максимальные периоды пульсаров, а также сколь малы могут быть орбитальные периоды тесных двойных. Исследования периодических составляющих по данным эксперимента на станции «Прогноз-9» относятся именно к тому диапазону периодов, где должны находиться наиболее медленные пульсары и наиболее быстрые орбитальные периодичности. Анализ формы фазовых кривых, в частности, ее зависимости от энергии, позволяет понять, связано ли существование периодических процессов с орбитальным движением компонентов системы, или же эти процессы имеют другую природу.

Исследования рентгеновских процессов часового диапазона на космических аппаратах, имеющих низкие орбиты, на которых проводятся многие рентгеновские эксперименты, затруднены ввиду того, что в этом диапазоне, как правило, находятся периоды обращения низкоорбитальных спутников вокруг Земли. Благодаря особенностям орбиты станции «Прогноз-9» (высоко апогейный – ~700000 км космический аппарат с периодом обращения 27 сут. и малым временем пребывания в областях захваченной радиации), в данном эксперименте были обеспечены благоприятные возможности для изучения подобных процессов.

Основная масса сведений о временных характеристиках рентгеновских звезд до сих пор получена из наблюдений в диапазоне энергий ~2.0–20 кэВ и значительно меньше – в более жесткой области. Поэтому данные о спектральных характеристиках периодических источников в диапазоне 10-200кэВ, полученные в эксперименте на станции «Прогноз-9» также представляются актуальными.

С решением научных проблем тесно связана методическая проблема улучшения чувствительности экспериментов, проводящих поиск периодических процессов. В частности, очевидна необходимость анализа фонообразующих факторов не только с точки зрения определения среднего потока излучения от источника, но с целью выяснения того, какое влияние оказывают всевозможные вариации фоновых компонентов на поиск регулярных процессов астрофизической природы. Дополнительно можно отметить актуальность практического использования непараметрических методов поиска периодичностей, применявшихся в данной работе, чувствительность которых слабо зависит от формы фазовой кривой.





Новизна работы.

  1. Применительно к данным «Прогноз-9» разработан и использован специальный непараметрический метод поиска периодических составляющих в широком диапазоне периодов часового и суточного диапазона 0.5-200ч.
  2. Проведен анализ влияния фоновых факторов, связанных с вариациями потока частиц и с солнечной активностью на результаты поиска периодических составляющих в эксперименте с широкоугольным рентгеновским спектрометром. Особое внимание уделено исследованию шума Галактики как источнику ошибок при поиске периодических процессов.
  3. Разработан и использован новый метод оценки достоверности периодических составляющих, основанный на вычислении коэффициента корреляции «четных» и «нечетных» фазовых профилей. Сопоставление формы четного и нечетного профилей было использовано для выявления фазовых особенностей формы средних кривых блеска.
  4. Обнаружены ранее не наблюдавшиеся процессы часового диапазона с периодами 8.04ч., 4.38ч. и 1.47ч.
  5. Произведена идентификация наблюдавшихся в эксперименте “Прогноз-9” процессов 62ч.=J1655-40, 152ч.=H1705-25, 8.2ч=Cen X-4, 13.3ч.=4U1543-47. Получены свидетельства об активности этих транзиентных объектов в период проведения эксперимента.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты разработки непараметрического метода поиска периодических составляющих были использованы для анализа информации, полученной с помощью рентгеновского спектрометра, работавшего на станции «Прогноз-9». В дальнейшем с помощью этого метода предполагается расширение диапазона поиска периодичностей по данным «Прогноз-9» в область более коротких периодов, соответствующих пульсарам. Планируется применение того же метода (в адаптированном виде) для анализа информации, полученной в 1995-1997гг. с аналогичного прибора в эксперименте на станции «Мир» (модуль «Спектр»).

Полученный в результате работы каталог периодических составляющих, наблюдавшихся в эксперименте “Прогноз-9”, является достаточно представительным. В нем присутствует 13 процессов, среди которых 5 процессов суточного диапазона и 8 процессов часового диапазона периодов. Получены указания об идентификации 6 процессов с известными объектами, среди которых 4 рентгеновские новые. Все это представляет интерес для дальнейшего уточнения теоретических моделей ряда астрофизических объектов.

Разработанная автором методика поиска периодических процессов может быть использована для анализа других временных рядов, подобных рядам данных спутника «Прогноз-9». Это могут быть результаты наблюдений как в астрофизике, так и в других областях исследований, поэтому разработанный метод анализа может иметь практическое значение.

На защиту выносятся:

1. Методические решения, найденные в ходе исследования периодических процессов, наблюдавшихся в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9»:

  • Непараметрический метод поиска периодических процессов в широком диапазоне периодов 0.5-200ч., разработанный применительно к данным рентгеновского спектрометра на борту станции «Прогноз-9».
  • Метод режекции компонентов фона, связанных с вариациями потоков заряженных частиц и солнечной активностью.
  • Характеристики шума жесткого излучения Галактики и метод учета галактического шума при определении характеристик периодических процессов.
  • Критерий выделения периодических процессов, связанных с галактическими рентгеновскими объектами, включая метод сравнения «четных» и «нечетных» фазовых профилей.

2. Каталог периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении источников района центра Галактики, их основные временные и спектральные характеристики. Обнаружение ранее не наблюдавшихся процессов часового диапазона периодов: 8.04ч., 4.38ч. и 1.47ч.

3. Верхние пределы на потоки периодических составляющих из области галактического антицентра и других удаленных от центра Галактики областей неба, обзор которых проводился в данном эксперименте.

4. Средние фазовые профили наблюдаемых периодических процессов. Структура фазовых профилей процессов с периодами 152ч., 62ч. и 8.04ч.

5. Идентификация ряда процессов, наблюдавшихся в эксперименте «Прогноз-9», с известными астрофизическими объектами: 62ч.=GRO J1655-40, 152ч.=H1705-25, 13.3ч.=4U1543-47. Идентификация основана на оценках местоположения, близости величины периода к значениям, взятым из других наблюдений, а также сходстве спектральных характеристик

Апробация работы.

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научной ассамблее COSPAR, международной конференции по космическим лучам, международной школе по астрофизике космических лучей, а также на научных семинарах НИИЯФ МГУ и Ломоносовских чтениях.

Публикации.

Основные результаты диссертации содержатся в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 121 страниц, включая 29 рисунков, 3 таблицы и список литературы на 9 стр. ( 161 наименование).

Содержание диссертации.

Во введении кратко характеризуется актуальность исследования периодических процессов в жестком рентгеновском излучении астрофизических объектов, указываются цели выполненной работы, отмечается научная значимость и новизна работы, формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дан литературный обзор исследования временных явлений в рентгеновской астрономии, рассмотрена природа возникновения периодических процессов в излучении рентгеновских двойных звезд, изложены достижения наблюдательной рентгеновской астрономии в исследовании рентгеновских пульсаров и двойных систем-кандидатов в черные дыры.

Важными этапами изучения временных явлений в рентгеновской астрономии стали составление каталога более 300 объектов в эксперименте «Ухуру», открытие в том же эксперименте затменных рентгеновских двойных систем и рентгеновских пульсаров, изучение барстеров на спутниках SAS-3 и OSO-8, исследование рентгеновских новых и пульсаров на ИСЗ «Ариель-5». В эксперименте EXOSAT были обнаружены квазипериодические осцилляции, имеющие масштаб переменности от долей герца до десятков герц. С помощью прибора А4 на спутнике НЕАО-1 был составлен каталог жестких (>13 кэВ) источников. Много важной информации было получено на спутниках «Гинга», «Тенма» и «Хаккучо».

Телескопы с кодирующей маской ТТМ на модуле «Квант» и «Сигма» на спутнике «Гранат» дали возможность подробного картографирования различных областей неба. В эксперименте BATSE при большой площади детекторов был реализован мониторинг дискретных источников за счет использования их затмения Землей. В частности, были получены важные результаты об обмене угловым моментом в стационарных и транзиентных пульсарах. Многолетние наблюдения ВАТSE (>2000ч) дали возможность исследовать долгопериодические процессы вплоть до периода в несколько сот суток.

Примером совместного анализа данных Uhuru, EXOSAT, BATSE и др. стало открытие медленного дрейфа орбитального периода 4U1700-37. В настоящее время приносит новые результаты обсерватория RXTE, специализированная на изучении временных явлений. С ее помощью уже были подтверждены ряд орбитальных и долговременных периодичностей, наблюдались дипы и квазипериодические осцилляции в излучении ряда объектов.

По современным представлениям основным классом галактических рентгеновских источников являются двойные звездные системы, состоящие из обычной звезды и релятивистского компактного объекта, в качестве которого рассматривается белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Надежное определение типа компактного объекта в исследуемых двойных системах остается одной из наиболее актуальных проблем, стоящих перед наблюдательной рентгеновской астрономией. Для ее решения в каждом случае необходимо разрабатывать детальную модель системы, включая определение массы рентгеновской и оптической звезд, расстояние между ними, наклонение орбиты, наличие и расположение аккреционного диска и т.п. Как правило определение некоторых параметров удается произвести из оптических наблюдений, возможных после отождествления рентгеновского источника с оптической звездой. Надежноcть отождествления гарантируется обнаружением совпадения временных свойств в оптическом и жестком излучении: одновременном наблюдении вспышки, корреляции потоков рентгеновского излучения с оптической яркостью или наблюдением периодических процессов с совпадающей величиной периода.

Периодические процессы, наблюдаемые в жестком излучении рентгеновских двойных систем, могут быть вызваны следующими основными причинами.

Орбитальное движение компонентов может приводить к периодическим изменениям потока рентгеновского излучения, связанным с затмениями области излучения обычной звездой. Характерные времена периодов, возникающих при этом, лежат в суточном диапазоне для массивных двойных систем и в часовом диапазоне для маломассивных. Фазовые зависимости, характеризующие периодичности затменной природы, имеют вид провалов прямоугольной или сглаженной формы. Наблюдаются также незатменные модуляции потоков жесткого излучения с периодом, равным орбитальному, вследствие, например, изменения расстояния между компонентами системы, приводящего к периодическим вариациям темпа аккреции.

Вращение магнитной нейтронной звезды приводит к возникновению феномена рентгеновских пульсаров в двойных системах. Величины периодов пульсаров лежат в диапазоне от долей секунды до сотен секунд. Фазовые профили могут иметь как отдельные узкие пики, так и широкие максимумы, в том числе более одного.

Прецессия аккреционного диска приводит к процессам, характеризуемым большими периодами, чем орбитальные. В частности, именно прецессия предлагается как один из вариантов объяснения долгопериодических вариаций в излучении источников Cen X-3, Her X-1 и др.

Периодические процессы могут проявляться в жестком излучении как рентгеновских двойных систем с нейтронными звездами, так и кандидатов в черные дыры. При этом неизбежно должны возникать различия, связанные с наличием большего гравитационного потенциала и отсутствием твердой поверхности и сильного магнитного поля компактного объекта в случаях аккреции на черную дыру.

В пульсарах сильное магнитное поле (порядка 1011-1013 Гаусс) заставляет вещество падать на нейтронную звезду вдоль линий магнитного поля к полюсам. Несовпадение оси вращения нейтронной звезды и дипольного поля приводит к возникновению пульсирующего излучения. Наличие углового момента у падающего вещества, а также взаимодействие между падающим потоком и магнитным полем, вызывает изменение момента у нейтронной звезды, которое приводит к наблюдаемым изменениям периода пульсаций за несколько дней.

В настоящее время известно 44 пульсара в двойных системах с периодом пульсаций от 0.069 с до 1413 с, 26 из которых являются транзиентными источниками. Все пульсары можно разделить на группы, различающиеся массой звезды-донора: мало-массивные системы (Мкомп2.5М) и системы с большой массой (Мкомп6М). Массивные двойные системы могут быть разделены на те, которые содержат в качестве компаньона Ве-звезду главной последовательности и на системы с ОВ-супергигантом на поздней стадии эволюции. Системы, включающие звезду-супергигант, могут быть в свою очередь разделены на объекты, в которых звезда-компаньон заполняет полость Роша (дисковые аккреторы) и на системы, в которых аккреция идет из звездного ветра. Каждый из указанных классов занимает определенную область на диаграмме Pspin-Porb.





Системы с супергигантами, заполняющими полость Роша, характеризуются короткими периодами пульсаций (Pspin 10с) и относительно малыми значениями орбитального периода (Porb 4дней). Они светят постоянно, имеют светимость L1037эрг/c, при этом у них наблюдаются продолжительные интервалы (Porb) относительно постоянного момента вращения. Системы, в которых аккреция идет из звездного ветра, характеризуются большими значениями орбитального периода и периода пульсаций. Они также излучают постоянно, но с меньшей интенсивностью (L1035-1037 эрг/с), при этом у них наблюдаются быстрые (Porb ) флуктуации вращательного момента, ускорение пульсаций сменяется замедлением и наоборот. Пульсары с Ве-компонентами демонстрируют корреляцию между орбитальным периодом и периодом пульсаций. Они являются транзиентами, вспышки которых соответствуют прохождению периастра в процессе движения по эксцентричной орбите. Маломассивные системы по своим свойствам сильно отличаются друг от друга. Наконец, также обсуждается существование класса пульсаров с периодом пульсаций ~6 с, ничем не указывающих на наличие звезды-компаньона.

К кандидатам в черные дыры с наиболее надежно определенной массой можно отнести следующие рентгеновские двойные системы, оптические компоненты которых являются звездами различных типов: О-В сверхгиганты (Cyg Х-1, LMC Х-З, LMC Х-1), звезды Вольфа-Райе (Cyg Х-З), мало-массивные M-F звезды (системы А0620-00, V404 Cyg, XN Mus 1991, QZ Vul, XN Sco 1994, XN Oph 1977, XN Per 1992) В тех случаях, когда спутником является массивная горячая оптическая звезда спектрального класса О-В или звезда WR, рентгеновский источник квазистационарен. Во всех системах, у которых спутники — маломассивные холодные звезды поздних спектральных классов M-F рентгеновский источник является транзиентным.

Для ряда рентгеновских двойных систем измеренные значения функции масс оптической звезды уже превышают ЗМ. Анализ оптической или инфракрасной кривой блеска позволяет по наблюдаемой функции масс оптической звезды уточнить значение массы релятивистского объекта или ее нижнего предела. Дополнительным контролем надежности оцененной величины массы служит информация об отсутствии рентгеновского затмения, расстоянии до системы, а также массе оптической звезды, оцениваемой по ее спектральному классу и классу светимости.

Многие источники-кандидаты в черные дыры являются транзиентными. Еще в 70-е годы транзиентные объекты были разделены на два класса: HXT (Hard X-ray Transients) и SXT (Soft X-ray Transients) – различающиеся своим спектром. HXT были связаны с Ве-пульсарами. SXT иначе называют рентгеновскими новыми. Среди 24 рентгеновских новых присутствуют 7 кандидатов в черные дыры, для которых существуют надежные оценки массы, 10 объектов, которые можно отнести к кандидатам в черные дыры исходя из их спектроскопических проявлений и 7 источников, вероятно являющихся нейтронными звездами. Все рентгеновские новые представляют собой маломассивные двойные системы. Вспышки рентгеновских новых обычно имеют длительность >10дней, яркость во время может достигать величины 1-100 Crab. Многие из них имеют рекуррентные вспышки, характерное время между которыми для различных источников лежит в пределах 0.5-60 лет и в среднем составляет 1.5-2 года. Форма кривой блеска для большей части вспышек имеет стандартную форму в виде быстрого роста и более медленного экспоненциального спада интенсивности излучения.

Рентгеновские источники в системах Cyg Х-1, LMC Х-З и LMC Х-1 квазистационарны, тем не менее изменения как потока, так и спектра излучения этих объектов во времени также имеют место. В частности, у «классического» кандидата в черные дыры Cyg X-1 наблюдаются нерегулярные переходы между «низким» состоянием и «высоким» состоянием, когда поток 1-10кэВ значительно возрастает, при этом уменьшается интенсивность излучения с энергией >20кэВ. В «низком» состоянии спектр Cyg X-1 аппроксимируется степенным законом, а в высоком – тепловым спектром с кТ1-2 кэВ. (или содержащим обе – тепловую и нетепловую - компоненты). Можно провести аналогии между спектрами различных вспышек рентгеновских новых и спектрами Cyg X-1 в его состояниях.

В спектрах ряда аккрецирующих черных дыр открыта узкая (Е/Е ~ 0.1) переменная эмиссионная линия на энергиях ~ 500 кэВ, природа которой пока окончательно не ясна. Частоты квазипериодических осцилляций для кандидатов в черные дыры в среднем отличаются от аналогичных частот для пульсаров. У трех галактических рентгеновских двойных систем - кандидатов в черные дыры (1Е 1740.7 - 2942, GRS 1915 - 105, GRO J1655 - 40) открыты релятивистские коллимированные джеты со скоростями истечения плазмы ~ 0.92с. Обнаружено значимое различие (в среднем на 2 порядка) отношений светимости рентгеновской новой во вспышке к светимости того же объекта в спокойном состоянии в случае кандидатов в черные дыры и источников с нейтронными звездами. Существует гипотеза, что этот факт связан с наличием горизонта событий в системах с черными дырами.

Во всех случаях, когда удается надежно измерить массу рентгеновского или радиопульсара (имеется одиннадцать таких измерений), она не превосходит (2-3) M и в среднем составляет ~ 1.4M. В то же время ни у одного из одиннадцати массивных (М>3М) рентгеновских источников – кандидатов в черные дыры не обнаружено феномена рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера I типа, характерных для аккрецирующих нейтронных звезд. Это может считаться аргументом в пользу того, что указанные источники действительно являются черными дырами.

Во второй главе приведено описание рентгеновского эксперимента на космическом аппарате “Прогноз-9”, рассмотрено устройство рентгеновского спектрометра и его основные характеристики.

Полет высокоапогейной (700 000 км) станции "Прогноз-9" был осуществлен в 1983-84 гг. Рентгеновские наблюдения велись с помощью сцинтилляционного спектрометра, регистрировавшего фотоны в диапазоне энергий 10-200 кэВ. Для обеспечения достаточной эффективности регистрации фотонов в выбранном энергетическом интервале в приборе был использован кристалл CsI(Tl) толщиной 0.25 см. Эффективная площадь спектрометра составляла 40 см2.

Для исключения регистрации заряженных частиц в рентгеновских каналах основной кристалл, а также элементы пассивной защиты и коллиматор были помещены в “антисовпадательный” колпак из пластмассового сцинтиллятора, который просматривался тем же фотоумножителем (ФЭУ), что и кристалл CsI(Tl). Эффективность отбора событий в антисовпадательной защите составляла 99.5%. Для защиты от фонового рентгеновского излучения, идущего со стороны космического аппарата, была использована пассивная защита из свинцового (толщина 1.0 см.) и бариевого (толщина 0.5 см.) стекол, расположенных под основным регистрирующим кристаллом CsI(Tl). При такой пассивной защите вероятность поглощения излучения в диапазоне энергий 10-100 кэВ равна 99.9%.

Поле зрения прибора (0.7 ср) формировалось свинцово-оловянным коллиматором. Диаграмма направленности детектора изотропна по азимутальному углу и линейно-падающая от максимума ( = 0о) до нуля ( = 45о) по углу отстояния источника от оси прибора. Спутник «Прогноз-9» вращался с периодом 120 с вокруг своей оси. Ось детекторного блока составляла 7.5о с осью вращения спутника, которая через каждые 5-7 суток переориентировалась в направлении на Солнце. Таким образом, центр поля зрения прибора, усредненного по периоду вращения (2 мин) спутника, совпадал с направлением оси станции, а граница усредненного поля зрения находилась на расстоянии около 53о от этой оси.

Параметры орбиты спутника в начале полета были таковы: период обращения спутника вокруг Земли - 27 сут, наклонение орбиты - 51о высота орбиты в апогее 700 000 км.. Таким образом большую часть времени прибор, с помощью которого проводились измерения, находился за пределами магнитосферы Земли.

Из-за движения спутника вместе с Землей вокруг Солнца в поле зрения прибора попадали участки неба, примыкающие к эклиптике (±25о - ширина на половине высоты диаграммы направленности), и в среднем осуществлялось медленное (1о /сут) сканирование вдоль эклиптики. Были проведены наблюдения: района галактического антицентра (июль - август 1983 г.), областей неба, отстоящих от галактического экватора (сентябрь - октябрь
1983 г.), района центра Галактики (ноябрь 1983 - февраль 1984 гг.). Максимальное время непрерывной экспозиции источников, непосредственно расположенных вблизи эклиптики и, в частности, галактического центра составляло около 100 сут.

В течение всего эксперимента с использованием описываемого спектрометра проводились измерения средних за 10 с скоростей счета рентгеновских фотонов в диапазонах энергии 10-50, 25-50, 50-100 и 100-200 кэВ, а также сопутствующих заряженных частиц в канале антисовпадательной защиты. Временной ход средних скоростей счета прибора в рентгеновских каналах показывает, что во время наблюдений области неба в районе центра Галактики значения скоростей счета в рентгеновских каналах были существенно выше фоновых, что определялось суммарным излучением галактических источников, сосредоточенных в основном вдоль галактического экватора и максимально концентрирующихся в районе центра Галактики. Скорости в канале антисовпадательной защиты не имеют подобной зависимости.

Ранее в результате обработки данных, полученных в ходе рассматриваемого эксперимента, был составлен каталог солнечных рентгеновских событий, также были исследованы характеристики зарегистрированных гамма-всплесков. Поскольку, благодаря сильно вытянутой орбите, в эксперименте были обеспечены благоприятные условия для изучения периодических процессов в широком диапазоне периодов, уже на начальных этапах анализа были выделены некоторые периодические процессы, относящиеся в основном к суточному диапазону периодов, в том числе была идентифицирована 82-ч периодичность, обусловленная затмениями в жестком излучении известной рентгеновской двойной 4U 1700-37. Для выделенных периодических процессов в результате усреднения по многим периодам были получены средние фазовые кривые блеска.

По сравнению с ранними результатами в диссертации был видоизменен критерий отбора периодических процессов, что позволило уточнить список ранее обнаруженных периодичностей, а также открыть несколько новых периодических источников. Особое внимание было уделено поиску периодических процессов в так называемых транзиентных источниках. Другим важным аспектом работы было исследование особенностей формы средних кривых блеска. Была обработана информация, относящаяся к наблюдениям не только района центра Галактики, но и галактического антицентра и областей неба, далеко отстоящих от галактического экватора; были получены временные и спектральные характеристики излучения центра Галактики как целого. При этом шум суммарного излучения галактических источников анализировался и учитывался как источник ошибок при поиске периодических процессов.

В третьей главе рассмотрены современные методы поиска периодических процессов, изложен непараметрический метод поиска периодических составляющих, использованный в настоящей работе. В этой же главе проведен анализ фонообразующих факторов и показаны методы их режекции, рассмотрен критерий отбора периодических составляющих, связанных с астрофизическими объектами. Изложены методы исследования формы фазовых профилей периодических составляющих, методы оценки спектральных характеристик периодических процессов и областей их локализации.

Процесс, порождающий временной ряд, в общем случае состоит из трех основных компонентов: трендовая составляющая, периодический компонент (возможно одновременное присутствие нескольких периодических составляющих различной амплитуды) и случайный процесс. Возможны два подхода к проблеме поиска периодичности. Первый из них (параметрические методы) относится к тому случаю, когда при анализе данных предполагается вполне определенная форма фазовой зависимости искомого периодического процесса, после чего происходит поиск оптимальных значений одного или нескольких параметров, описывающих эту форму. В частности, Фурье-анализ представляет собой разложение исходного ряда по гармоническим функциям.

В случае непараметрических методов для всех интересующих значений пробного периода Р строятся фазовые диаграммы, после чего для каждой фазовой зависимости вычисляется величина Г(Р), характеризующая степень упорядоченности расположения точек на ней. На заключительном этапе анализа выбирается значение Го(Ро), отвечающее наиболее упорядоченному расположению точек. Характерная особенность непараметрических методов состоит том, что они слабо чувствительны к форме средних кривых блеска.

Существует целый ряд непараметрических методов, различающихся выбором величины Г. Один из распространенных методов использует статистику Аббе-Лафлера-Кинмана (АЛК), представляющей собой сумму квадратов разностей значений для последовательных точек на фазовой диаграмме, нормированную на дисперсию исходного ряда. При большом количестве точек эта величина тесно связана с коэффициентом автокорреляции (r) исходного временного ряда: АЛК=1-r. В методах, использующих принцип «фазовой группировки данных», интервал изменения фазы [0,1) предварительно разбивается на подинтервалы (бины). При каждом значении пробного периода формируются гистограммы отсчетов, на основании которых делается вывод о том, насколько хорошо выделяется средняя кривая блеска. Такие методы имеют достоинства, связанные с относительно высокой скоростью вычислений и более гладкой периодограммой, удобной для поиска периодических процессов.

Для выявления периодических процессов данные эксперимента на станции «Прогноз-9» анализировались методом наложения эпох на основе непараметрического метода Уиттекера и Робинсона, модифицированного с учетом специфики информации с эксперимента на станции «Прогноз-9». Этот метод состоит в следующем.

Для каждого пробного периода строится оценочный фазовый профиль. Для этого исследуемый интервал наблюдений разбивается на отрезки, длительность которых равна величине пробного периода, после чего производится наложение в одной фазе этих последовательных участков временного ряда, с последующим усреднением значений, относящихся к одной фазе. Амплитуду процесса, соответствующего пробному периоду (реального периодического или имитируемого случайным образом), можно охарактеризовать величиной среднего квадрата отклонения чисел, составляющих среднюю фазовую зависимость.

Для проведения поиска периодических составляющих выбирается сетка пробных периодов, для которых вычисляется амплитуда 2, после чего строится зависимость 2(Т), называемая периодограммой. Диапазон поиска определяется, с одной стороны, требованием, чтобы время наблюдений охватывало не менее 5 полных периодов, с другой стороны - тем, что корректно оценить величину амплитуды периодического процесса возможно, если средний фазовый профиль содержит по крайней мере 10 независимых точек.

Периодические процессы представлены на периодограммах набором узких пиков при определенных значениях периода. Характерной особенностью метода наложения эпох является появление при анализе временного ряда, соответствующего периодическому процессу с периодом Т0, не только основного пика с периодом Т0, но и набора кратных пиков, соответствующих 2хТ0, 3хТ0,..., а также, возможно, гармоник Т0/2, Т0/3,... Ширина пиков определяется условиями сохранения фазы при усреднении последовательных временных отрезков. FWHM пика, определяемая непосредственно при анализе периодограммы, может служить естественной мерой ошибки в определении периода.

На рис.1 приведен пример периодограммы, полученной для временного ряда среднечасовых скоростей счета фотонов в канале 25-50 кэВ, соответствующего интервалу наблюдений района центра Галактики (31.10.1983-12.01.1984). На периодограмме легко заметны дискретные пики, относящиеся к 82-ч периодическому процессу, соответствующему орбитальному периоду рентгеновской двойной 4U1700-37.

Сетку пробных периодов, равномерную по Т, удобно использовать в случае сравнительно небольшого диапазона периодов, для которых проводится анализ (Tmax/Tmin20). Для поиска периодических процессов в диапазоне Т=0.5…50 часов была использована сетка, линейная по частоте (т.е. по величине, обратной периоду). Как периодограмма, так и частотный спектр (зависимость амплитуды процесса от частоты) может быть представлен в виде суперпозиции периодической и шумовой составляющих. Шумовая составляющая, образованная усреднением случайных вариаций показаний прибора различной природы, линейно растет с увеличением периода, поскольку, чем короче пробный период, тем сильнее подавляются случайные отклонения оценочного профиля при усреднении (континуум на рис.1). Одним из примеров случайной составляющей является «дробовой» шум, связанный с конечным числом распределенных по закону Пуассона регистрируемых фотонов. Его величина показана на рис.1 линией вблизи оси абсцисс. Целесообразно нормировать получаемые частотные спектры на величину «дробовой» амплитуды 2дроб(Т). Величина 2(Т)/2дроб(Т), откладываемая на частотных спектрах, является ни чем иным, как величиной 2, нормированной на число степеней свободы N-1, где число N совпадает с числом независимых точек на фазовых профилях. Частотные континуумы шумовых составляющих с точностью до множителя соответствуют таковым в представлении в виде спектра мощности при Фурье-анализе. В частности, в таком представлении обеспечивается постоянство на всех частотах величин, характеризующих «дробовой» шум (частный случай белого шума).

Для того, чтобы выяснить роль различных фоновых факторов и найти оптимальные способы уменьшения их влияния на конечный результат были проанализированы временные ряды, соответствующие тем интервалам наблюдений, во время которых в поле зрения прибора не попадала плоскость галактического экватора.

Для выделения и последующего отсева солнечных вспышек были использованы показания прибора РФ и информация о наблюдениях Солнца в оптическом и радиодиапазонах наземными средствами. При поиске периодических процессов, временные интервалы, в течение которых регистрировались солнечные вспышки, а также участки данных, соответствующие космическим гамма-всплескам, были исключены из рассмотрения. Полная длительность отбракованных таким образом временных отрезков составила не более 0.3% полного времени экспозиции. При наличии на исходном временном ряду возрастаний вспышечного характера для энергий 10-50 кэВ величина, откладываемая на частотном спектре, примерно в 6 раз превышает статистический предел. При больших энергиях влияние вспышек менее существенно, однако в канале 25-50 кэВ оно по-прежнему заметно. При удалении вспышечных возрастаний из первичного ряда частотный спектр приближается к статистическому пределу до величины 2(Т)/2дроб(Т)<2 для диапазона 10-50 кэВ и 2(Т)/2дроб(Т)1 для 25-50 кэВ.

Другим важным фонообразующим фактором являются вариации, связанные с изменениями потока заряженных частиц, взаимодействующих со станцией с образованием рентгеновского излучения. Для их режекции использовался регрессионный анализ показаний в рентгеновских каналах прибора и в канале счета заряженных частиц в предположении линейного характера зависимости величины дополнительного счета в каждом из рентгеновских каналов от скорости счета в канале антисовпадательной защиты. При оптимальном значении коэффициента регрессии разброс значений на средних фазовых зависимостях, обусловленный совокупностью случайных процессов различной природы, минимален, и, следовательно, периодограмма имеет минимальный угол наклона. Процедура регрессии приводит к существенной очистке получаемых спектров в области периодов Т10 ч. При этом сильно подавляются отдельные пики, присутствующие одновременно на спектрах исходного (неочищенного) ряда и на спектрах ряда, состоящего из скоростей счета в канале частиц. В процессе анализа данных рентгеновского эксперимента на станции «Прогноз-9» коэффициенты линейной регрессии определялись по достаточно продолжительным (100 сут) временным рядам, соответствующим исследуемым областям неба. Наиболее значимые коэффициенты были получены для интервалов 50-100 кэВ и 100- 200 кэВ ( 0.04 фотон на частицу).

Третьим, практически неустранимым, фонообразующим фактором является переменность в излучении самих астрофизических источников. Чтобы оценить ее величину, было проведено сравнение шумовых частотных спектров, полученных для одинаковых по длительности интервалов наблюдений областей неба, удаленных от галактического экватора, галактического «антицентра» и центра. Как и следовало ожидать, частотный спектр, относящийся к наблюдениям областей неба, не содержащих галактических рентгеновских источников, практически представляет собой спектр типа «белый шум», и объясняется преимущественно «дробовым» разбросом измеренных значений скоростей счета. Частотные спектры, полученные для интервалов наблюдений Галактического антицентра и, особенно, центра Галактики заметно отличаются от равномерного и определяются совокупным излучением множества рентгеновских источников. Именно этим фонообразующим фактором определяется в конечном итоге чувствительность эксперимента по поиску периодических процессов.

Главным критерием, позволяющим сделать вывод о наличии периодического процесса, является присутствие на периодограмме или на частотном спектре пика достаточной амплитуды. Согласно выбранной процедуре отбора по амплитуде каждой точке на спектре приписывалось ее отклонение от среднего значения (Nср(T)), нормированное на корень из дисперсии (лок(Т)), вычисленной в той области спектра, где находится данная точка:
N(Т)=(N-Nср)/лок. В таком представлении величина порогового уровня также выражалась числом стандартных отклонений, и это число было одинаковым для любых частот. Величины Nср(T) и лок(Т) вычислялись вблизи каждой точки спектра на участке, длина которого в 100-200 раз превышала величину разрешения по частоте в данной области спектра.

Для того, чтобы все выделенные источники были достоверными, амплитудный критерий был выбран достаточно жестким. Было заложено требование: вероятность того, что при просмотре всей информации со станции «Прогноз-9» хотя бы один случайный пик превысит указанную амплитуду, должна быть не более 1%. Считая, что в процессе обработки должны быть проанализированы около 20 частотных спектров, соответствующих 1-2 неделям наблюдений, и что каждый из них (для периодов, лежащих в диапазоне 0.5 – 50 часов) содержит 1000 независимых точек (с учетом конечного частотного разрешения), можно сделать вывод, что вероятность превышения пороговой амплитуды для одной точки не должна превышать 510-7. Для нормального распределения это соответствует 5 стандартным отклонениям, поэтому пороговый уровень был выбран равным 5лок.

Для подтверждения того, что в анализируемых данных действительно присутствует регулярный периодический процесс, было привлечено сопоставление результатов обработки одним и тем же способом независимых временных рядов. Такая проверка реализуется путем сопоставления фазовых профилей, построенных при раздельном усреднении данных, соответствующих только четным и только нечетным временным отрезкам. Эти фазовые профили, поставленные друг за другом, составляют среднюю фазовую зависимость, соответствующую удвоенному периоду.

Количественным параметром, характеризующим подобие «четных» и «нечетных» профилей, является коэффициент корреляции k между последовательностями чисел, их составляющих. Исходя из ожидаемой формы фазовых профилей, было решено вычислять коэффициент корреляции для профилей, разбитых на 40 независимых отрезков, если длина этих отрезков превышает длительность интервала усреднения исходного ряда. Для более коротких периодов число независимых отрезков определялось величиной интервала усреднения. Величина коэффициента корреляции четных и нечетных профилей в случае, когда на исходном ряду одновременно присутствует периодический процесс и случайный процесс, в среднем должна быть равна: k=2пер/(2пер+2случ), где 2пер – амплитуда в области пика, а 2случ – средняя амплитуда вне пика. Для пиков, удовлетворяющих амплитудному критерию и не являющихся гармониками других процессов значения коэффициента k оказались действительно близки к величинам, вычисленным по приведенной формуле. С учетом специфики влияния на получаемые фазовые профили «розового» шума Галактики, являющегося основным фонообразующим фактором, было решено выбрать единый критерий коррелированности «четных» и «нечетных» профилей для любых значений периодов: k0.5.

Простейшим способом ошибку на среднем фазовом профиле можно оценить, исходя из средних амплитуд случайных вариаций, задающих фон на периодограммах или ненормированных частотных спектрах вблизи пика, соответствующего периодическому процессу. Другим способом, позволяющим уточнить достоверность отдельных деталей, видимых на среднем фазовом профиле, является сопоставление формы четного и нечетного профилей в области фаз, соответствующих исследуемой особенности. Если указанная особенность (например, дополнительный максимум) ясно видна как на четном, так и на нечетном профиле, то это говорит в пользу ее реальности, в противном случае можно не придавать ей особого значения.

Угловые характеристики прибора не позволяли разрешать источники, близко расположенные на небе. Однако в тех случаях, когда поток от источника слабо менялся со временем, область локализации наблюдаемых периодических источников могла быть определена более точно, чем размер поля зрения прибора. Это предположение правомерно, когда процесс наблюдается достаточно долго: из формы диаграммы направленности следует, что в случае отстояния источника от оси прибора не более чем на 40о процесс должен быть виден на уровне половины от максимальной амплитуды не менее месяца.

Зависимость регистрируемой доли излучения наблюдаемого источника от времени имеет вид плавных кривых с максимумом в момент наилучшей видимости источника. В этот момент угол отстояния источника от оси прибора минимален, следовательно, можно предположить, что источник находится на линии большого круга, перпендикулярного плоскости эклиптики и проходящего через точку эклиптики, в направлении которой в этот момент ориентирована ось прибора. Полное время видимости источника зависит от минимального угла отстояния, достигаемого в ходе сканирования. Для оценки этого угла можно методом максимального правдоподобия вписать в зависимость видимого потока регистрируемого излучения от направления ориентации прибора ожидаемые кривые, соответствующие различным углам отстояния источника (подобрав нормировку по амплитуде), а затем выбрать из них ту, которая согласуется с наблюдениями наилучшим образом.

На основании данных «Прогноз-9» можно определить только спектральные параметры периодической составляющей в излучении источников, поскольку угловое разрешение прибора не позволяло выделять постоянного излучения исследуемого источника на фоне излучения других объектов. Кроме усредненных по периоду спектральных характеристик периодического процесса эксперимент позволял сделать оценки спектральной жесткости исследуемого процесса, привязанные к определенной фазе на среднем фазовом профиле. В этом случае речь также идет о жесткости излучения, избыточного по отношению к некоторому уровню, принятому за нулевой. Тем не менее, подобная информация весьма полезна при построении моделей исследуемых объектов, поскольку позволяет проследить динамику жесткости излучения вдоль фазового профиля.

В качестве величины, характеризующей спектральную жесткость периодического компонента, может быть выбрано отношение амплитуд периодического процесса в соседних энергетических диапазонах. В случае определенного представления исходного спектра это отношение позволяет определить соответствующий спектральный параметр, – например, показатель в случае степенной зависимости или эффективную температуру kT в случае представления типа спектра «оптически тонкой плазмы». Для вычисления этих параметров были использованы аппаратурные функции, представляющие собой зависимости отношения скоростей счета в соседних каналах от соответствующего параметра жесткости.

В четвертой главе приводятся результаты поиска и исследования периодических процессов: каталог наблюдаемых периодических процессов, их фазовые профили при различных энергиях, спектральные характеристики и оценки местоположения. Показаны результаты наблюдения затменной двойной системы 4U1700-37, рассмотрены аргументы в пользу идентификации ряда наблюдаемых периодических процессов с известными объектами.

Изложенным выше методом был проведен поиск периодичностей в диапазоне периодов 0.5-200 ч. Потоки периодических составляющих в районе центра Галактики в диапазоне энергий 25-50 кэВ можно было регистрировать начиная с уровней 2.510-3 фот/см2с в среднем для периодов T = 1 - 30 ч и 5.010-3 фот/см2с для T = 30 ч.

Несмотря на то, что чувствительность при обзоре областей неба, далеко отстоящих от галактического центра, была лучше, все выделенные периодические процессы относятся к району центра Галактики и прилежащих к нему областям. Верхние пределы на потоки периодических составляющих в жестком излучении источников, расположенных в районе галактического антицентра приведены в таблице 2 (для источников, находящихся по центру поля зрения). Если бы процесс выше указанной интенсивности реально существовал, то с вероятностью не менее 99.9% он был бы обнаружен.

Список выявленных периодических процессов и некоторые их параметры представлены в Таблице 1. Существование тех периодических процессов, которые были выделены ранее, в основном подтверждается при использовании критерия, разработанного в данной работе. Отсутствие ранее отмеченного источника с периодом 1.96 ч связано с более низкой достоверностью этого процесса. Наличие в списке целого ряда периодических процессов, не известных по данным других экспериментов, может быть объяснено тем, что часть из них относится к транзиентным источникам, которые во время проведения этих экспериментов не были активны, а также высокой чувствительностью эксперимента на станции «Прогноз-9»

Процесс с периодом 8.15ч. может быть идентифицирован с транзиентным источником Cen X-4, в котором во время вспышки 1979 г. по данным прибора ASM на спутнике Ариэль-5 наблюдались периодические изменения с периодом 8.2±0.2 ч. Процесс с периодом 4.35 ч по местоположению и по жесткости может быть идентифицирован с источником 4U1755-33, в котором по данным наблюдений в диапазоне 2-10 кэВ на космической обсерватории EXOSAT были обнаружены периодические вариации потока рентгеновского излучения с периодом 4.4±0.2 ч. Основаниями для идентификации этих процессов являются не только совпадение величин периодов и оценка местоположения, но и сравнение данных о спектральной жесткости периодических составляющих, сопоставление их интенсивностей и формы фазовых кривых.

Таблица 1. Астрофизические источники периодического рентгеновского излучения наблюдавшиеся в эксперименте на станции «Прогноз-9»

T, часы КТ, кэВ Средний за период поток при указанной энергии, 1/(см2*с*кэВ) интервал наилучшей видимости Число периодов за интервал наилучшей видимости Идентификация
152±7 >40 1.5*10-4 (50 кэВ) 31.10.83 - 12.01.84 11.5 H1705-25 (Nov.Oph.1977)
98±7 13 9.5*10-4 (25 кэВ) 08.12.83 - 06.01.84 7
82±5 25 2.2*10-3 (25 кэВ) 08.12.83 - 06.01.84 9 (всего 20) 4U1700-37
67±4 6 8*10-4 (25 кэВ) 08.12.83 - 06.01.84 10
62±2 10-20 2.5*10-3 (25 кэВ) 13.11.83 - 20.12.83 14 GRO J1655-40 (XN Sco. 1994)
13.33±0.13 25 6.5*10-4 (25 кэВ) 08.12.83 - 06.01.84 52 4U1543-47
9.36±0.07 10 6.7*10-4 (25 кэВ) 28.10.83 - 25.11.83 71
8.15±0.11 7 7*10-4 (25 кэВ) 13.11.83 - 25.11.83 35 Cen X-4
8.04±0.04 20-45 5.5*10-4 (25 кэВ) 08.12.83 - 12.01.84 104
4.38±0.03 11 5*10-4 (25 кэВ) 28.10.83 - 10.11.83 71
4.35±0.05 5-10 2*10-3 (10 кэВ) 20.12.83 - 27.12.83 33 4U1755-33
3.45±0.04 5 1.5*10-3 (25кэВ) 07.12.83 - 13.12.83 42
1.470±0.006 20 5.5*10-4 (25 кэВ) 13.12.83 - 20.12.83 115

Таблица 2. Верxние пределы на поток периодических составляющих из направления галактического антицентра (см2.с-1).

Диапазон 10-50 кэВ 25-50 кэВ 50-100 кэВ
Предел для Т=30 ч. 1.8*10-3 1.1*10-3 1.5*10-3
Предел для Т=3 ч. 3.3*10-4 2.0*10-4 2.3*10-4

По сравнению с результатами поиска периодичностей, проводившегося на начальных этапах обработки данных эксперимента на станции «Прогноз-9», использование рассмотренного выше критерия выделения периодических процессов привело к обнаружению новых объектов с периодами 8.04, 4.38 и 1.47 ч. Следует отметить близость величины периода для двух пар процессов 8.04ч. и 8.15ч., а также 4.35ч. и 4.38ч. В пользу того, что эти процессы относятся к различным источникам свидетельствует прежде всего разница их моментов видимости, соответствующая угловому расстоянию между объектами не менее 40о. Кроме того эти процессы существенно отличаются по форме фазовых профилей и по спектральной жесткости.

Для каждого из выделенных процессов были получены средние профили, полученные для различных энергетических каналов, а также «четный» и «нечетный» профили в том энергетическом интервале, в котором источник виден наиболее контрастно. Фазовые профили многих из обнаруженных процессов отличаются как от «затменной», так и от «простой» синусоидальной формы. У ряда объектов видна значимая сложная структура фазовых кривых - на их фазовых профилях присутствует более одного максимума излучения. К ним относятся процесс с периодом 62 ч., а также самый жесткий из наблюдаемых источников – 152-часовой процесс. Сложной формой среднего фазового профиля характеризуется 8.04 ч периодичность - на соответствующей кривой видны два значимых максимума: первый – широкий (характеризуется относительно мягким спектром), второй – узкий (энергетический спектр в области этого максимума более жесткий).

В качестве возможных объектов для идентификации рассматривались, во-первых, жесткие источники, постоянно присутствующих на небе, из каталога НЕАО-1 (прибор А4), имевшие в диапазоне 13-80 кэВ поток более 2.5.10-3см-2.с-1, что соответствует предельному уровню чувствительности рассматриваемого спектрометра к периодическим процессам. Второй тип источников, подлежащий анализу - рентгеновские новые, обычно имеющие значительную интенсивность (вплоть до 100 Краб) и длительность вспышки 10-300 дней.

Для процессов 13.3 ч, 9.36 ч и 8.04 ч, наблюдавшихся достаточно долго, сделаны оценки местоположения. В случае 8.04 ч процесса в качестве источника периодичности могут выступать многие объекты, расположенные вдоль Галактической плоскости. Для процессов с периодами 13.3 ч и 9.36 ч области возможной локализации удалены от центра Галактики, поэтому выводы об идентификации могут быть сделаны путем рассмотрения сравнительно небольшого конечного числа кандидатов.

Периодический процесс с периодом 82ч. является орбитальным периодом затменной двойной системы 4U1700-37., наблюдавшейся во многих экспериментах. Этот хорошо изученный источник является удобным объектом для подтверждения корректности использованных в работе методов.

Измерения его спектра показывают, что рентгеновское излучение 4U1700-37 имеет в представлении спектра теплового излучения тонкой плазмы температуру Т25 кэВ, что соответствует результатам других экспериментов. Особенность данного источника состоит в том, что жесткость его излучения не зависит ни от его общей интенсивности, ни от орбитальной фазы. Это также подтверждается в настоящей работе: фазовые профили 82-часового процесса, полученные для различных энергетических каналов, хорошо совпадают по форме между собой. Форма фазовых кривых в диапазонах 10-50 и 50-200 кэВ не противоречит форме кривой блеска, полученной в диапазоне 20-120 кэВ в эксперименте BATSE. Амплитуда мелких деталей фазовых кривых, существенно не превышающих ошибок, вероятно связана с временной переменностью источника.

152-часовой процесс является самым жестким из периодических процессов, наблюдавшихся в эксперименте «Прогноз-9». В период наблюдений, когда он регистрировался, в поле зрения прибора находились несколько известных источников с потоками 100 мКраб при энергиях 100 кэВ: Н1705-25 (Nov Oph 1977), GX339-4,, GRS 1716-249 (Nov Oph 1993) и 1Е1740.7-294.2, расположенный непосредственно вблизи Центра Галактики. Для этих объектов были вычислены зависимости, аппроксимирующие относительные площади засветки детектора прибора для различных моментов наблюдения. С этими зависимостями были сопоставлены относительные амплитуды 152-ч периодического процесса на интервалах наблюдений 31.10.83-25.11.83, 13.11.83-20.12.83, 07.12.83-12.01.84, 20.12.83-25.01.84, измеренные в предположении его принадлежности какому-либо из отмеченных выше источников. В результате был сделан вывод, что объекты вблизи самого центра Галактики (±5о) и источник GX339-4 могут быть исключены из числа вероятных кандидатов на идентификацию. В область возможной локализации 152-часового процесса из известных ярких рентгеновских источников достаточной жесткости попадают лишь новые в созвездии Змееносца 1977 и 1993 гг.

Наиболее вероятным кандидатом на идентификацию с источником 152-ч периодического процесса представляется яркий рентгеновский транзиент H1705-25 (Nov Oph 1977). Его кривая блеска, построенная на основе данных экспериментов SSI Ariel-5 и MC HEAO1, показала присутствие на фоне плавной огибающей квазипериодического компонента с периодом около 6.7 сут. Чтобы исключить трендовую составляющую исходные данные SSI (средний поток J в мКраб на интервалах 1.7 ч) были усреднены методом скользящего среднего по ±167/2 ч., после чего исходные величины J были нормированы на соответствующие значения J'. К данным SSI были добавлены данные MC HEAO1, нормированные на среднее значение. Затем была получена периодограмма ряда J/J’, аналогичная периодограмме для эксперимента «Прогноз-9», содержащая один явно выраженный максимум при значении периода 167 ч, а также его гармоники.

Было проведено сравнение средних фазовых профилей указанных двух процессов, представленных как функция фазы, выраженной в долях периода. Значение коэффициента корреляции между указанными двумя зависимостями, взятыми в одинаковой фазе, равно 0.84. Это указывает на то, что с вероятностью 99.95% эти два профиля совпадают не случайно и могут быть отнесены к одному и тому же астрофизическому объекту. Такой вывод можно сделать, учитывая сложность формы фазовой кривой, имеющей два максимума излучения различной длительности.

Средний наклон спектра 152ч периодической составляющей в степенном представлении соответствует величине, характеризующей спектральную жесткость, полученной в эксперименте на HEAO1. При этом спектральная плотность потока, измеренная в эксперименте на ИСЗ "Прогноз-9", характеризующая интенсивность периодического компонента, для всех участков фазовой зависимости составляет не более 70% величины полного потока, полученной на HEAO1 в 1977 г. Это также говорит в пользу идентификации источника 152-ч периодичности, обнаруженного в рентгеновском эксперименте на станции "Прогноз-9", и новой в созвездии Змееносца 1977 г. (Н1705-25)

На Рис. 2а приведены кривые блеска для 62-ч периодического процесса. Временное разрешение на профиле составляет около 2 ч. Приведенные на рисунке ошибки получены исходя из средних амплитуд случайных вариаций, задающих шумовую подложку на периодограммах.

Ранее были получены указания на идентификацию 62-ч периодичности с источником Sco X-1. Основанием для этого было предположение о том, что во время наблюдений в поле зрения прибора находился единственный яркий источник, с которым могли быть связаны регистрировавшиеся интенсивные вариации рентгеновского потока. В этом предположении была определена область локализации на небе источника 62-ч периодического процесса, в которую попадал единственный достаточно яркий объект Sco X-1.

В 1994г. в результате наблюдений на обсерватории CGRO в созвездии Скорпиона был открыт транзиентный источник GRO J1655-40, также известный как рентгеновская новая XN Sco 1994. Из оптических наблюдений для системы GRO J1655-40 определен орбитальный период – 2.62 сут = 62.9 ч, который в пределах ошибок совпадает с выделенным периодом 62 ч. Данные наблюдений этого источника в жестком диапазоне также показывают значительные вариации рентгеновского потока, в которых, как отмечают авторы эксперимента OSSE, можно проследить квазипериодическую составляющую с подобным периодом. Для проверки существования рентгеновского периодического процесса данные OSSE были обработаны методом, описанным выше. На периодограмме, относящейся к этим данным, отчетливо виден максимум при Т=62 ч., а также вторая гармоника Т=31ч.

На рис. 2б приведена кривая блеска, полученная путем усреднения по периоду 62 ч данных наблюдений источника GRO J1655-40 в эксперименте OSSE на CGRO. Кривые блеска, полученные по данным экспериментов на ИСЗ “Прогноз-9” и CGRO были совмещены по фазе, исходя из максимума коэффициента корреляции между кривыми в диапазоне 50-200 кэВ (“Прогноз-9”) и 50-100 кэВ (OSSE CGRO), который составил 0.7. Видно, что в основных чертах средние фазовые кривые, полученные в экспериментах на ИСЗ ”Прогноз-9” и CGRO совпадают.

Спектр 62ч периодического компонента имеет степенной характер, близкий к характеру спектров GRO J1655-40. Различие интенсивности и показателя спектра находится в пределах возможных отклонений для рекуррентных вспышек разных лет.

Если допустить, что этот объект был также активен и в 1983 г., то наличие в поле зрения прибора двух достаточно ярких источников могло привести к смещению возможной области локализации на небе источника 62-ч периодичности и как следствие к неверной идентификации. Таким образом, можно сделать вывод о том, что более правдоподобна идентификация источника 62 ч периодического процесса с объектом GRO J1655-40.

Процесс 13.3 ч. может быть связан с рентгеновской новой 4U1543-47. В пользу такой идентификации свидетельствует то, что 4U1543-47 является одним из немногих ярких объектов, попадающих в область локализации этого периодического процесса, а также совпадение в пределах ошибок удвоенного периода 13.3ч. с орбитальным периодом 4U1543-47 Т=1.123±0.008 сут, измеренным по кривой лучевых скоростей оптического компонента. Фотометрический период, наблюдаемый в оптическом излучении данного источника, равен 0.5605 сут. (13.45ч.) Еще один важный факт состоит в том, что по данным спутников «Тенма» и EXOSAT рентгеновская новая 4U1543-47 имела вспышку, начавшуюся 21.08.83 и наблюдавшуюся в течение 185 дней.

На частотных спектрах, вычисленных для интервала наилучшей видимости 13.3ч. процесса, пик, соответствующий периоду 27ч. также присутствует. Однако, учитывая то, что значительная его часть может быть обусловлена третьей гармоникой от интенсивного 82ч. процесса, а также отсутствие какого-либо максимума с периодом 9ч.=27ч./3, можно сделать вывод, что именно 13.3ч. процесс на анализируемом частотном ряду является первичным.

13.3 часовой процесс характеризуется средним фазовым профилем, имеющим глубокий минимум шириной 25-30% от величины периода. Квазипериодическая изрезанность профиля в области максимума сравнима с величиной ошибки.

Основные результаты.

  1. Разработан метод исследования периодических процессов в тесных двойных системах, наблюдавшихся в эксперименте на станции «Прогноз-9»:
  • разработан и использован непараметрический метод поиска периодических составляющих в широком диапазоне периодов 0.5-200ч.
  • Проведен сравнительный анализ влияния различных фоновых факторов на результаты поиска периодических составляющих в эксперименте с широкоугольным рентгеновским спектрометром. Разработан и использован метод режекции компонентов фона, связанных с вариациями потоков заряженных частиц и солнечной активностью.
  • Получены шумовые спектры жесткого излучения областей центра и антицентра Галактики.
  • Разработан критерий отбора периодических процессов, связанных с астрофизическими источниками.
  • Разработан и использован метод оценки достоверности периодических составляющих, основанный на вычислении коэффициента корреляции «четных» и «нечетных» фазовых профилей. Сопоставление «четного» и «нечетного» профилей использовано для выделения фазовых особенностей формы средних кривых блеска.
  1. Составлен каталог периодических составляющих в жестком излучении рентгеновских двойных систем района центра Галактики по данным эксперимента «Прогноз-9»
  • Согласно разработанному критерию уточнен список периодических процессов, наблюдающихся в эксперименте «Прогноз-9»
  • Обнаружены ранее не наблюдавшиеся процессы часового диапазона с периодами 8.04ч., 4.38ч., и 1.47ч.
  • Подтверждено существование периодических составляющих в источниках Cen X-4 (8.2ч.) и 4U1755-33 (4.35ч.).
  • Определены верхние пределы на потоки периодических составляющих в жестком рентгеновском излучении, идущем из области Антицентра и других удаленных от центра Галактики областей, обзор которых проводился в данном эксперименте.
  1. Получены средние фазовые профили наблюдаемых периодических процессов. Показано, что фазовые профили процессов с периодами 152ч., 62ч. и 8.04ч. имеют более одного максимума излучения.
  2. Получены характеристики энергетических спектров наблюдаемых периодических процессов.
  3. Сделаны оценки областей локализации источников наблюдавшихся в эксперименте на станции «Прогноз-9» периодичностей. На основании оценок местоположения, близости величины периода к значениям, взятым из других наблюдений, а также сходства спектральных характеристик, проведена идентификация ряда периодических процессов: 62ч.=J1655-40., 152ч.=Н1705-25, 13.3ч.=4U1543-47.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Спектральные характеристики в жестком излучении (10-100 кэВ) периодических источников Cen X-4, 4U1755-33, 4U1700-37, MXB1659-29, 4U1822-37: результаты наблюдений на станции «Прогноз-9» Письма в Астрономический журнал, 1995, том 21, № 4, с.256-262.
  2. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Идентификация с Н1705-25 (Nov.Oph. 1977) и динамика спектра 152-ч периодического источника, обнаруженного в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9» Письма в Астрономический журнал, 1996, том 22, № 12, с.896-904
  3. M.I. Kudryavtsev, S.I.Svertilov, V.V.Bogomolov “Temporal and Spectral Parameters of Slow X-ray Pulsars Observed During “Prognoz-9” Mission”. 31st Scientific Assembley of COSPAR. Birmingham. 1996. Abstracts, p. 257
  4. М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов, В.В.Богомолов. «Характеристики периодических источников жесткого рентгеновского излучения, обнаруженных в рентгеновском эксперименте на станции «Прогноз-9»: результаты дополнительного анализа» Письма в Астрономический журнал, 1998, том 24, № 9, с.1-14.
  5. M.I.Kudryavtsev, S.I.Svertilov, V.V.Bogomolov “Temporal and Spectral Parameters of Slow X-ray Periodic Sources Observed During Prognoz 9 Mission.” Adv.Space Res., 1998, Vol. 22, No. 7, pp. 939-942.


 


Похожие работы:

«Штыковский Павел Евгеньевич Массивные рентгеновские двойные в близких галактиках 01.03.02. Астрофизика и радиоастрономия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2007 Работа выполнена в Институте космических исследований РАН Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, Гильфанов Марат Равильевич (ИКИ РАН) Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор Постнов Константин Александрович (ГАИШ МГУ) доктор физ.-мат....»

«Человеков Иван Васильевич Свойства рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звёзд со слабым магнитным полем по данным орбитальных обсерваторий ГРАНАТ, ИНТЕГРАЛ и RXTE 01.03.02. Астрофизика и радиоастрономия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2006 Работа выполнена в Институте космических исследований РАН Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, Гребенев Сергей Андреевич (ИКИ РАН) Официальные...»

«БРЕУС Тамара Константиновна ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ 01.03.03 - Физика Солнца 03.00.02 – Биофизика Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2003 г. Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук Научный консультант: док. мед. наук, профессор С.И.Рапопорт, ММА им. И.А.Сеченова, г. Москва Официальные оппоненты: док.физ.-мат.наук, А.А. Нусинов, зав. лабораторией...»

«УДК 524.3 Ирсмамбетова Татьяна Рустемовна ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ SS433 Специальность 01.03.02 астрофизика, радиоастрономия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук МОСКВА – 2007 Работа выполнена в крымской лаборатории Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга при Московском...»

«Рязанцева Мария Олеговна РЕЗКИЕ ГРАНИЦЫ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ И СРЕДНЕМАСШТАБНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУКТУР СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА 01.03.03 – физика Солнца Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2005 Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук Научный руководитель – д.ф.- м.н., ведущий научный сотрудник ИКИ РАН Застенкер Георгий Наумович Официальные оппоненты: д.ф.- м.н., Иванов Ким Григорьевич (ИЗМИРАН)...»

«УДК 523.98 Кузьменко Ирина Владимировна Исследование солнечных событий с отрицательными радиовсплесками с использованием данных радиометра Уссурийской обсерватории Специальность 01.03.03 — физика Солнца Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Иркутск – 2011 Работа выполнена в Учреждении...»

«ХАРИНОВ Михаил Александрович Автоматизированные методы проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ-комплекса Квазар-КВО Специальность 01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург 2007 Работа выполнена в Институте прикладной астрономии РАН. Научный руководитель:

«МИРЗОЕВА ИРИНА КОНСТАНТИНОВНА МИКРОВСПЫШКИ В РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА Специальность 01.03.03. – физика Солнца АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2006 Работа выполнена в отделе физики плазмы Института космических исследований Российской Академии Наук Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Писаренко Новомир Федорович...»

«ЛАПИНОВ Александр Владимирович Детальные исследования областей звездообразования на основе прецизионной молекулярной спектроскопии 01.03.02 – астрофизика и радиоастрономия А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Нижний Новгород – 2009 Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук*). Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Зинченко Игорь Иванович....»

«Анфиногентов Сергей Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - СПЕКТРАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ НАД СОЛНЕЧНЫМИ ПЯТНАМИ Специальность 01.03.03 – физика Солнца АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Иркутск – 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном...»

«ВАЛИУЛЛИН РАШИТ РАВИЛЕВИЧ Спектральные исследования динамики газовых облаков в сейфертовских галактик ах и в галактиках с HII – областями 01.03.02 астрофизика и радиоастрономия Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Республика Казахстан Алматы, 2010 Работа выполнена в ДТОО Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова АО Национальный центр космических исследований и технологий Научный руководитель кандидат...»

«Огнева Ольга Фридриховна Движение комет, сближающихся с Юпитером Специальность 01.03.01 “Астрометрия и небесная механика” АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург 2007 Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете. Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ю.Д. Медведев Официальные оппоненты:...»

«Нурсейтов Конарбай Смайлович ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА НА КРУГОВОЙ ОРБИТЕ В ПОЛЕ ТЯГОТЕНИЯ ХИЛЛА 01.03.01 – Астрометрия и небесная механика Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Алматы, 2010 Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете имени М.О. Ауезова Научные руководители: доктор технических наук, профессор, академик НИА РК Тулешов А.К. доктор физико-математических...»

«СИДОРОВ Владимир Ильич ДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В БОЛЬШИХ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ И ИХ СВЯЗЬ С ЭРУПТИВНЫМИ ПРОЦЕССАМИ 01.03.03 – физика Солнца АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Иркутск – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН Научные руководители:...»

«Кривонос Роман Александрович Жесткое рентгеновское излучение на больших угловых масштабах – фоновое излучение Галактики и внегалактический фон Вселенной 01.03.02. Астрофизика и радиоастрономия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2007 Работа выполнена в Институте космических исследований РАН Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук, Ревнивцев Михаил Геннадьевич (ИКИ РАН) Официальные оппоненты: доктор физ.-мат....»

«Кузин Сергей Вадимович Рентгеновская изображающая спектроскопия солнечной короны в проекте КОРОНАС: создание аппаратуры и астрофизические результаты Специальность 01.03.02 Астрофизика и звездная астрономия Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва – 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева...»






 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.