Исследование наблюдательных проявлений компактных звездных объектов на пекулярных стадиях эволюции

Актуальность темы

.

Теория магниторотационной эволюции нейтронных звезд позволяет интерпретировать многообразие наблюдаемых особенностей этих объектов в рамках единого эволюционного трека, включающего в себя три основных состояния: эжектор, пропеллер и аккретор. Молодые нейтронные звезды, образующиеся в процессе вспышки сверхновой с коллапсирующим ядром, отличаются высокой температурой поверхности, сильным магнитным полем и высокой скоростью вращения. В ходе дальнейшей эволюции температура поверхности нейтронной звезды падает, происходит распад ее магнитного поля и уменьшение энергии вращения. Это приводит к изменению характера взаимодействия звезды с окружающей материей и, соответственно, механизма энерговыделения, ответственного за ее излучение.

Нейтронные звезды в состоянии эжектора и аккретора надежно отождествлены, соответственно, с радио- (эжекционными) и аккреционными пульсарами и уже на протяжении нескольких десятков лет являются предметом активного наблюдательного исследования. Наблюдательные особенности нейтронных звезд в состоянии пропеллера до недавнего времени оставались лишь темой теоретической дискуссии, одно из центральных мест в которой занимала проблема происхождения долгопериодических рентгеновских пульсаров. Анализ возможных решений этой задачи показал, что прохождение нейтронной звездой стадии пропеллера является неминуемым, что количество нейтронных звезд нашей Галактики, которые в настоящее время находятся на этой стадии, является значительным, и что класс пропеллеров не является однородным, но включает в себя по крайней мере два подкласса, получивших название сверхзвуковых и дозвуковых пропеллеров.

Наблюдательное отождествление пропеллеров стало возможным лишь несколько лет назад, благодаря стремительному прогрессу в чувствительности рентгеновских телескопов. Было показано, что характеристики рентгеновского излучения, наблюдаемого в течение спокойной фазы ряда транзиентных рентгеновских источников, отличаются от характеристик излучения нейтронных звезд в состоянии эжектора или аккретора. Более того, огромная амплитуда изменения интенсивности рентгеновского излучения при переходе этих источников из спокойной фазы в активную и наоборот находилась в хорошем соответствии с моделью, в которой транзиентный характер этих объектов интерпретировался в рамках перехода нейтронной звезды между состояниями пропеллера и аккретора и позволяла исключить альтернативные объяснения. Вместе с тем, было отмечено, что спектральные и временные характеристики излучения источников, являющихся кандидатами в пропеллеры, отличаются от соответствующих характеристик, предсказываемых теорией. Это указывет на необходимость пересмотра существующих представлений о механизме формирования излучения пропеллеров, а также на актуальность критического анализа основных временных и энергетических параметров этой пекулярной фазы эволюции нейтронных звезд.

Среди наблюдательных данных, свидетельствующих об актуальности критического анализа существующей модели магниторотацион-ной эволюции нейтронных звезд следует также отметить:

1) открытие сверхдолгопериодических пульсаров, период вращения нейтронных звезд в которых лежит в пределах 1000−10 000 секунд;

2) наблюдения ряда Ве/рентгеновских транзиентных источников в состоянии аномально низкой рентгеновской светимости, представляющем собой симбиоз состояний пропеллера и аккретора низкой светимости, а также.

3) отсутствие успеха в поиске старых изолированных нейтронных звезд, излучение которых обусловлено аккрецией материи межзвездной среды на их поверхность.

Интерпретация вышеперечисленных результатов представляется возможной лишь в рамках эволюционных треков, включающих в себя фазу дозвукового пропеллера, которая до недавнего времени оставалась практически неисследованной.

Следует отметить, что методы, лежащие в основе магнито-ротационной модели эволюции нейтронных звезд, оказываются также эффективными в исследовании наблюдательных проявлений другого класса компактных звезд — белых карликов. В частности, анализ эволюции белых карликов, входящих в состав маломассивных тесных двойных систем, указывает, что наряду с состоянием аккретора, в котором эти объекты наблюдаются в многочисленном классе Взрывных (катаклизмических) Переменных звезд, состояния пропеллера и эжектора также могут быть реализованы. Переход белых карликов в эти состояния возможен как вследствие интенсивной дисковой аккреции вещества на их поверхность, так и слияния двух белых карликов на поздних стадиях эволюции двойной системы. Несмотря на относительную многочисленность подобных объектов, предсказываемую теорией, попытки их обнаружения в течение долгого времени успеха не имели. Первый кандидат в этот класс объектов появился лишь в 1994 году: было показано, что темп замедления белого карлика в тесной двойной системе АЕ Водолея, также как и наблюдаемая картина течения вещества в его полости Роша в рамках канонической модели аккретора быть интерперетированы не могут. На протяжении последующего десятилетия для исследования АЕ Водолея были привлечены лучшие телескопы мира, охватывающие все диапазоны электромагнитного спектра, что позволило получить обильный материал для теоретической интерпретации этого источника и, во многом благодаря исследованиям, представленным в настоящей диссертации, продвинуть наши представления об этом объекте на качественно новый уровень. Знания, полученные в ходе этих исследований, заставляют нас пересмотреть границы применимости магниторотационной модели эволюции компактных звезд, что является актуальным в выборе правильной стратегии исследования этих объектов на современном этапе. Цель исследования.

Основными целями настоящей работы являются:

1. Построение эволюционного трека нейтронных звезд в долго-периодических рентгеновских пульсарах. Анализ ключевых параметров нейтронных звезд и их компаньонов в тесных двойных системах, требуемых для образования этих источников;

2. Исследование наблюдательных проявлений нейтронных звезд на стадиях сверхзвукового и дозвукового пропеллера с целью выработки критериев для наблюдательного отождествления этих объектов;

3. Исследование наблюдаемых свойств одиночных нейтронных звезд на поздних стадиях эволюции при учете взаимодействия аккреционного потока с магнитосферой этих объектов. Определение критериев для наблюдательного отождествления этих объектов и оценка вероятности их обнаружения современными рентгеновскими телескопами;

4. Определение состояния нейтронной зведы в течение фазы аномально низкой светимости Ве/рентгеновского транзиента, А 0535+26. Анализ механизмов энерговыделения, ответственных за высокоэнергичное излучение системы, детектируемое в течение этой фазы;

5. Идентификация состояния белого карлика в тесной двойной системе АЕ Водолея. Построение модели переноса массы между компонентами этой системы и, па основе этого, решение вопроса о механизмах энерговыделения, ответственных за наблюдаемое излучение. Определение эволюционного статуса источника;

6. Теоретический и наблюдательный анализ причин уникальной вспышечной активности АЕ Водолея. Решение вопроса о локализации источника вспышечного излучения и его параметрах.

Научная новизна.

В диссертации представлены следующие новые результаты:

• Впервые показано, что происхождение известных на сегодня долгопериодических рентгеновских пульсаров может быть объяснено в рамках единого эволюционного трека, включающего в себя четыре основных состояния нейтронной звезды: эжектор, сверхзвуковой пропеллер, дозвуковой пропеллер и аккретор. Сформулированы основные условия реализации указанной цепи эволюции;

• Приведены исправленные величины основных параметров, определяющих условие перехода компактной звезды между состояниями сверхзвукового и дозвукового пропеллеров и аккретора;

• Впервые сформулированы критерии идентификации нейтронных звезд в состоянии дозвукового пропеллера. Показано, что звезды в этом состоянии проявляют себя как аккрецирующие рентгеновские пульсары с низкой светимостью и мягким спектром;

• Впервые показано, что учет взаимодействия аккреционного потока с магнитным полем изолированных нейтронных звезд, находящихся на поздней стадии эволюции, приводит к пересмотру вероятности обнаружения этих объектов в сторону понижения;

• Впервые показано, что нейтронная звезда, входящая в состав Ве/рентгеновского транзиента, А 0535+26, в течение спокойной фазы источника находится в пекулярном состоянии, идентичном состоянию дозвукового пропеллера;

• Впервые показано, что наблюдаемые проявления белого карлика в тесной двойной системе АЕ Водолея находятся в соответствии с идентификацией состояния этого объекта с состоянием эжектора. В рамках этой идентификации проведена оценка основных параметров системы и ее компонентов и выполнено моделирование процесса переноса массы.

Научная и практическая значимость.

1. В диссертации приводится подробное описание исправленного единого эволюционного трека нейтронных звезд и критериев его применимости в зависимости от исходных параметров объекта и окружающей его материи. Эти данные могут быть использованы для идентификации эволюционного статуса компактных звезд и определения механизма энерговыделения, ответственного за излучение соответствующего источника;

2. Полученные критерии идентификации компактных источников в состоянии пропеллера могут быть использованы для разработки стратегии их отождествления при составлении наблюдательных программ;

3. Учет рассмотренных в диссертации механизмов взаимодействия аккреционного потока с магнитным полем компактного объекта необходим при моделировании рентгеновских вспышек в транзиентных источниках и для определения параметров процесса обмена массой между компонентами в этих двойных системах;

4. Результаты моделирования тесной двойной системы АЕ Водолея могут быть использованы для построения эволюционных треков компактных объектов, входящих в состав Взрывных Переменных, при расчетах эволюции магнитных нолей белых карликов, а также для оценки достоверности модели процесса энерговыделения, ответственного за излучение компактных звездных объектов, находящихся в состоянии эжектора;

5. Результаты фотометрических и поляриметрических наблюдений АЕ Водолея могут быть использованы при моделировании пекулярной вспышечной активности этого объекта.

Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на астрофизических семинарах:

• Главной астрономической обсерватории РАН, Астрономического института им. В. В. Соболева СПбГУ, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, Теоретического отдела Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Крымской Астрофизической Обсерватории;

• институтов им. Макса Планка, Германия: МРЕ, г. Мюнхен, (1996, 1999) — MPI, г. Бонн, (6 докладов в течение 19 962 007) — МРА, г. Мюнхен (2003) — Института астрономии Бонского Университета, г. Бонн, Германия (1995) — Института астрономии Мюнхенского Университета, г. Мюнхен, Германия (4 доклада в течение 1994;1999) — Института астрономии Кембриджского Университета, г. Кембридж, Англия (2003, 2005), Корейского института астрономии и космических исследований, г. Тэджон, Южная Корея (4 доклада в течение 2003;2005), Центра космических полетов им. Маршала, НАСА, г. Хантсвилл, США (2006), Астрономического института Университета Северной Каролины, г. Гринсборо, США (2006),.

Автором было представлено 36 научных докладов на 24-х российских и международных конференциях:

• «X Ray Emission from Active Galactic Nuclei and the Cosmic X Ray Background», Мюнхен, Германия, ноябрь 1991;

• «The cosmic dynamo», Потсдам, Германия, сентябрь 1992;

• «Particle Acceleration Phenomena in Astrophysical Plasmas», Мэриленд, США, январь 1993;

• «Cataclysmic Variables», Терме, Италия, июнь 1994;

IAU Colloquium 151: «Flares and Flashes», Зоненберг, Германия, декабрь 1994;

Seventeenth Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology, Мюнхен, Германия, декабрь 1994;

Cape Workshop on «Magnetic cataclysmic variables», Кейптаун, Южная Африка, январь 1995;

Vulcano Workshop on «High Energy Astrophysics and Particle Physics», Вулкано, Италия, июнь 1997;

ESO Workshop on «Cyclical Variability in Stellar Winds: Recent Developments and Future Applications», Мюнхен, Германия, октябрь 1997;

BL LAC Phenomenon", Турку, Финляндия, июнь 1998;

Highlights in X-ray astronomy", Мюнхен, Германия, июнь 1998;

IAU Colloquium 177, «Pulsar Astronomy — 2000 and Beyond», Бонн, Германия, август 1999;

ESO Workshop on «Black Holes in Binaries and Galactic Nuclei», Мюнхен, Германия, сентябрь 1999;

Съезд Европейского астрономического общества JENAM-2000, Москва, Россия, май 2000;

Съезд Европейского астрономического общества JENAM-2001, Мюнхен, Германия, сентябрь 2001;

• Третья Всероссийская Астрономическая Конференция (ВАК-2004) «Вселенная и мы», Москва, Россия, июнь 2004;

• IAU Symposium 223, «Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity», Санкт-Петербург, Россия, июнь 2004;

• «The Astrophysics of Cataclysmic Variables and Related Objects», Страсбург, Франция, июль 2004;

• «Astrophysics and cosmology after Gamow — theory and observations», Одесса, Украина, август 2004;

• Annual meeting of Korean Physical Society, Джеджу, Южная Корея, октябрь 2004;

• «Cosmology and High Energy Astrophysics (Zeldovich-90)», Москва, Россия, декабрь 2004;

• COSPAR Colloquium on: «Spectra & Timing of Accreting X-ray Binaries», Бомбей, Индия, январь 2005;

• «Isolated Neutron Stars: from the Interior to the Surface», Лондон, апрель, 2006;

• 363. WE-Heraeus Seminar on: «Neutron Stars and Pulsars», Бад-Хоннеф, Германия, май 2006.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, трех глав, заключения, списка литературы (260 наименований) и приложения. Она содержит 21 рисунок и 15 таблиц. Общий объем диссертации — 282 страницы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Ихсанов, Н.Р. «Генерация синхротронного излучения инфракрасного диапазона в двойных рентгеновских источниках», // Письма в Астрономический Журнал, 1989, 15, 513−518.

2. Гнедин, Ю.Н., Ихсанов, Н.Р. «Механизм генерации высокоэнергичных частиц и образование корон в двойных рентгеновских источниках», / / Письма в Астрономический Журнал, 1989, 15, 918−924.

3. Гнедин, Ю.Н., Ихсанов, Н.Р. «Механизм генерации гамма-квантов сверхвысоких энергий в аккрецирующих рентгеновских пульсарах», // Астрономический Журнал, 1990, 67, 1165−1174.

4. Beskrovnaya, N.G., Ikhsanov, N.R., Bruch, A., Shakhovskoy, N.M. «UBVRI Photometry of AE Aquarii in July-August 1994», // Lecture Notes in Physics, 1995, 454, 276−280.

5. Beskrovnaya, N.G., Ikhsanov, N.R., Bruch, A. «Cessation of the Optical Pulsations in AE Aqr», // Astrophysics and Space Science Library,.

1995, 205, 368−369.

6. Ikhsanov, N.R. «The nature of the primary in AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 1995, 300, 207−213.

7. Ikhsanov, N.R. «Is AE Aquarii a System with a Neutron Star?», // ASP Conference Series, 1995, 85, 400−403.

8. Beskrovnaya, N.G., Ikhsanov, N.R., Bruch, A., Shakhovskoy, N.M. «Measurement of Circular Polarization and UBVRI photometry of AE Aqr», // ASP Conference Series, 1995, 85, 364−367.

9. Bruch, A., Beskrovnaya, N., Ikhsanov, N., Borisov, N. «AE Aquarii in 1993: Cessation of the 33s Oscillations?», // Information Bulletin on Variable Stars, 1995, 3996, 1−4.

10. Beskrovnaya, N.G., Ikhsanov, N.R., Bruch, A., Shakhovskoy, N.M. «Photometric and polarimetric analysis of the flaring activity in AE Aqr», // Astronomy and Astrophysics, 1996, 307, 840−848.

11. Ikhsanov, N., Pustilnik, L.A. «Stability of the magnetospheric boundary of a neutron star undergoing spherical accretion», // Astronomy and Astrophysics, 1996, 312, 338−344.

12. Ikhsanov, N.R. «Spindown of the primary in AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 1997, 325, 1045−1054.

13. Ikhsanov, N.R. «The pulsar-like white dwarf in AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 1998, 338, 521−526.

14. Ikhsanov, N.R. «Rapid spindown of fast-rotating white dwarfs in close binary systems as a result of magnetic field amplification», // Astronomy and Astrophysics, 1999, 347, 915−918.

15. Ikhsanov, N.R. «A simple solution of the spindown problem in AE Aquarii», // Mem. Soc. Astron. Ital., 1999, 70, 1005−1010.

16. Ikhsanov, N.R. «Signs of a dead disk in AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 2000, 358, 201−207.

17. Ikhsanov, N.R. «On the origin and parameters of the pulsar-like white dwarf in AE Aquarii» //in «Pulsar Astronomy — 2000 and Beyond», ASP Conference Series, Vol. 202 Eds. M. Kramer, N. Wex, and N. Wielebinski, 2001, p. 605−608.

18. Ikhsanov, N.R. «On the origin of quiescent X-ray emission from A0535+26», // Astronomy and Astrophysics, 2001, 367, 549−556.

19. Ikhsanov, N.R. «On the duration of the subsonic propeller state of neutron stars in wind-fed mass-exchange close binary systems», // Astronomy and Astrophysics, 2001, 368, L5-L7.

20. Ikhsanov, N.R. «Can the 33 s pulsations observed from AE Aquarii be explained in terms of accretion onto the white dwarf surface ?», // Astronomy and Astrophysics, 2001, 374, 1030−1034.

21. Ikhsanov, N.R. «On the state of low luminous accreting neutron stars», // Astronomy and Astrophysics 2001, 375, 944−949.

22. Ikhsanov, N.R., Larionov, V.M., Beskrovnaya, N.G. «On the accretion flow geometry in A0535+26», // Astronomy and Astrophysics, 2001, 372, 227−232.

23. Ikhsanov, N.R. «Supersonic propeller spindown of neutron stars in wind-fed mass-exchange close binaries» // Astronomy and Astrophysics, 2002, 381, L61-L63.

24. Ikhsanov, N.R., Beskrovnaya, N.G. «Can the Rapid Braking of the White Dwarf in AE Aquarii Be Explained in Terms of the Gravitational-Wave Emitter Mechanism?», // Astrophysical Journal, 2002, 576, L57-L59.

25. Ikhsanov, N.R., Jordan, S., Beskrovnaya, N.G. «On the circularly polarized optical emission from AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 2002, 385, 152−155.

26. Ikhsanov, N.R. «On the accretion luminosity of isolated neutron stars», // Astronomy and Astrophysics, 2003, 399, 1147−1150.

27. Ихсанов, H.P., Неустроев, В.В., Бескровная, Н.Г. «Белый карлик в состоянии эжектора», // Письма в Астрономический Журнал, 2004, 30, 743−753.

28. Ikhsanov, N.R. «On the induced activity of red dwarfs in close binary systems», // in «Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity», IAU Symposium, Vol. 223. Eds. A.V. Stepanov, E.E. Benevolenskaya, and A.G. Kosovichev, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004., p.683−684.

29. Ikhsanov, N.R., Neustroev, V.V., Beskrovnaya, N.G. «On the mass transfer in AE Aquarii», // Astronomy and Astrophysics, 2004, 421, 1131−1142.

30. Ikhsanov, N.R., Neustroev, V.V., Beskrovnaya, N.G. «Simulation of Ha Doppler Tomogram of AE Aquarii», // ASP Conference Series, 2005, 330, 397−398.

31. Ихсанов, H.P. «Нейтронные звезды в состоянии дозвукового пропеллера», // Астрофизика, 2005, 48, 477−490.

32. Ихсанов, Н.Р. «Критерии идентификации дозвуковых пропеллеров», // Письма в Астрономический Журнал, 2005, 31, 656−660.

33. Ikhsanov, N.R. «On a Site of Х-Ray Emission in AE Aquarii», // As-trophysical Journal, 2006, 640, L59-L62.

34. Ikhsanov, N.R., Choi, C.-S. «Appearance of neutron stars in the state of subsonic propeller», // Advances in Space Research, 2006, 38, 2901— 2902.

35. Ikhsanov, N.R., Biermann, P.L. «High-energy emission of fast rotating white dwarfs», // Astronomy and Astrophysics, 2006, 445, 305−312.

36. Ikhsanov, N.R., Biermann, P.L. «Accreting isolated neutron stars», // MPE Reports, 2007, 291, 165−168.

37. Ikhsanov, N.R. «The origin of long-period X-ray pulsars» // MNRAS, 2007, 375, 698−704.

38. Ikhsanov, N.R. «Accretion by isolated neutron stars» // Astrophys. Sp. Sci., 2007, 308, 137−140.

Личный вклад автора диссертации в работах 2 и 3 состоит в проведении рассчетов и изложении результатов в форме статьи. В работах 4 и 30−38 автором диссертации была поставлена задача, выработан алгоритм рассчетов и подготовлен текст статьи. В работах 7, 8 и 11−13 основной вклад автора диссертации состоит в теоретической интерпретации результатов, полученных в ходе наблюдений, проведенных на основе поставленной им задачи и при его непосредственном участии.