Содержание к диссертации
Введение
Генерация гамма-излучения в двойной системе с эжектирующим пульсаром . 16
1.1 Анизотропия излучения в томсоновском пределе 17
1.2 Спектральная и угловая зависимость рассеянного излучения 22
Рисунки к главе 1 28
2 PSR В1259-63: данные наблюдений 35
2.1 Свойства Ве-звезд 37
2.2 Радиоизлучение 40
2.3 Рентгеновское излучение от системы 44
Рисунки к главе 2 50
3 Генерация непульсирующего излучения в системе PSR В1259- 63 58
3.1 Сталкивающиеся ветры 58
3.2 Непульсирующее радиоизлучение - результат синхротронного излучения электронов пульсарного ветра 61
3.3 Рентгеновское излучение, как результат обратного комптоновского рассеяния 70
3.4 Кривая блеска системы 73
Рисунки к главе 3 75
Заключение. 80
Литература 82
- Спектральная и угловая зависимость рассеянного излучения
- Рентгеновское излучение от системы
- Непульсирующее радиоизлучение - результат синхротронного излучения электронов пульсарного ветра
- Рентгеновское излучение, как результат обратного комптоновского рассеяния
Введение к работе
Прошло уже более 30 лет с момента открытия пульсаров (Hewish et al. 1968), но полная самосогласованная теория магнитосферы пульсара еще не построена. Считается установленным, что энергия Lp = IQQ (/-момент инерции нейтронной звезды, Q- ее угловая скорость, a Q- скорость ее замедления), теряемая пульсаром при вращении практически вся переходит в энергию пульсарно-го ветра (в радиоизлучение пульсара переходит всего ~ 0.1 %Lp ( Beskin et al. 1993)). Энергия ветра складывается из энергии электрического и магнитного полей L#, а также из кинетической энергии Lp релятивистских электронов и позитронов, ускоряемых вблизи поверхности нейтронной звезды или вблизи светового цилиндра ( Michel 1969; Rees & Gunn 1974; Ruderman & Sutherland 1975; Kennel, Fujimura, &; Okamoto 1983; Schibata 1991; Harding & Muslimov 1998). Современные модели магнитосферы пульсаров предполагают сильную замагниченность пуль-сарного ветра a = Lh/Lw ^> 1, по крайней мере вплоть до светового цилиндра ( Arons 1992), но самосогласованные модели Крабовидной туманности и пульсара требуют на расстояниях много больших светового цилиндра сг <С 1 ( Kennel &Coroniti 1984а, Emmering к, Chevaier 1987). Был построен ряд моделей, описывающих механизм перекачки энергии из магнитного поля в кинетическую вблизи светового цилиндра и объясняющих это различие (Coronity 1990, Begelman & Li 1994, Michel 1994, Melatos & Melrose 1996), но насколько общим является этот процесс остается неизвестным, поскольку за исключением Крабовой туманности и PSR В1957+20 (Kulkarni et al. 1992а) было произведено очень немного измерений а. Неясным также остается вопрос о лоренц-факторе 7 частиц ветра. В то время как для частиц пульсарного ветра Крабовидной туманности 7 ~ Ю6 (Kennel & Coroniti 19846), рентгеновские наблюдения системы PSR 1957+20 (Kulkarni et al. 1992a) и шарового скопления 47 Tucanae (Krockenberger & Grindlay 1995) говорят о том, что порядка 10% энергии, теряемой рассматриваемыми миллисекунд-ными пульсарами при вращении, переходит в энергию релятивистских электронов и позитронов пульсарного ветра с лоренц-фактором 7 ~ 3 — 10.
С целью получения большей информации о пульсарном ветре был произведен поиск туманностей, возникающих при взаимодействии пульсарного ветра с окружающей средой и излучающих за счет синхротронных потерь релятивистских частиц (Frai et al. 1996, Stappers et al. 1999). Были найдены туманности вокруг пульсаров PSR B1853-I-01 и PSR В0906-49, однако их спектры еще плохо изучены и не позволяют сделать однозначные заключения о параметрах ветров.
В данной работе предложен метод исследования параметров ветра пульсара, находящегося в двойной системе с компаньоном, излучающим тепловые фотоны в оптическом и УФ диапазоне с энергией и ~ 1 — 10 эв (Chernyakova & Illarionov 1997, 1999а). В результате обратного Комптоновского рассеяния тепловых фотонов релятивистскими частицами наблюдатель зарегистрирует широкополосное жесткое излучение. Максимальная энергия рассеянных фотонов равна єтах ~ иу2 в томсоновском пределе (ujj <С тс2) и єтах ~ гас27 в противоположном случае ( га- масса электрона, с- скорость света). Релятивистские частицы рассеивают фотоны в основном вдоль направления движения частиц. В результате, в то время как мягкие фотоны летят радиально от компаньона, жесткие фотоны будут двигаться радиально от пульсара.
Полная светимость рассеянных жестких фотонов L7 равна энер- гии LiOSSb потерянной релятивистскими частицами при движении от пульсара через поле фотонов вследствии обратного Компто-новского рассеяния. Заметим, что скорость потери энергии релятивистской частицей при движении через область с плотностью энергии мягких фотонов wsoft ~ L*/47ra2c в томсоновском пределе приблизительно равна mc2d^/dt ~ —wsoft
7 V 1 + 7/7*/
Таким образом, в случае 7 <С 7* интенсивность гамма-излучения от двойной системы пропорциональна светимости компаньона L* и светимости пульсара Lp: L7 = KLP, где коэффициент трансформации равен К = 7/7*- В тесной двойной системе с очень ярким компаньоном 7^7*« В этом случае значительная часть энергии ветра перейдет в энергию рассеянных фотонов, L7max « Lp.
Функция распределения рассеянного гамма-излучения от двойной системы сильно анизотропна. Если пульсарный ветер изотропен, то светимость в гамма-диапазоне Ь^{ф) ( L7 = J27rL1(^p)dcosip) азимутально симметрична относительно оси двойной системы и сильно зависит от угла ф между направлениями на компаньон и на наблюдателя от пульсара (рис. 1.1). В случае свободно распространяющегося пульсарного ветра максимум энергии в гамма-диапазоне распространяется в направлении компаньона (-?/> = 0), а минимум в противоположном направлении (ф = ж).
Следует отметить, что светимость оптической звезды в свою оче- редь также зависит от светимости пульсара, поскольку она поглощает и переизлучает часть энергии пульсарного ветра. Так в системе PSR 1957+20 компаньон, почти заполняющий свою полость Роша, переизлучает в оптику 7 - 20% падающего излучения ( Callanan, van Paradijs & Rengelink 1995 ). Поэтому описанный механизм генерации рентгеновского и гамма-излучения важен не только для случая двойной системы с ярким оптическим компаньоном, но и в случае тесной двойной системы с компаньоном большего радиуса.
Единственной двойной системой, содержащей радиопульсар, непульсирующее рентгеновское излучение от которой достаточно хорошо изучено, является система PSR В1259-63. Радиопульсар PSR В1259-63 с периодом вращения Р = 47.76мс был открыт на 64 метровом Паркском радиотелескопе (Johnston et al. 1992а) во время высокочастотного обзора южной плоскости галактики (Johnston et al. 19926). Последующие наблюдения показали что пульсар движется по сильно вытянутой орбите (е = 0.87) вокруг массивной звезды. Оптические наблюдения позволили отождествить компаньон пульсара с Be звездой 10 звездной величины SS 2883 (Johnston et al. 1992а).
С момента открытия система PSR В1259-63 неоднократно наблюдалась в рентгеновском диапазоне. Измерения показывают, что при прохождении периастра порядка 10% энергии теряемой пульсаром при вращении переходит в непульсирующее жесткое излучение. Спектр рентгеновского излучения от системы аппроксимируется степенным законом dN^/de = (2.8 ±0.7) х 10-3(е/100?сэе)1-8±0-бсм-2 с""1 Мэв"1 (Grove et al. 1995). Рентгеновская светимость зависит от орбитального положения пульсара, различаясь в периастре и апоастре приблизительно в 10 раз. Светимость системы в рентгене при прохождении через периастр в 1995 г. совместима с данными полученными при наблюдении прохождения через периастр в 1992 г. Недавний анализ данных телескопа ASM, находящегося на спутнике RXTE, полученных вблизи периастра 1997 года, дает верхний предел на поток в диапазоне 2-10 кэВ равный (0.5 ± 2.4) х 10~иэрг с-1 см-2 (Kaspi & Remillard 1998), что хорошо согласуется с данными полученными AS С А при наблюдении прохождения периастра в 1994 году (Kaspi et al. 1995).
Рассмотрим различные возможные объяснения генерации рентгеновского излучения в системе PSR В1259-63 и покажем, что наблюдаемое рентгеновское излучение является результатом обратного комптоновского рассеяния тепловых фотонов компаньона на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра.
Короналъное излучение Ве-звезды.
В-звезды раннего спектрального класса часто являются источниками рентгеновского излучения, возникающего в ветре В-звезд, нагреваемом ударными волнами ( Macfarlane & Cassinelli 1989, Bjorkman & Cassinelli 1993). Cassinelli et al. (1994) показал, что рентгеновские спектры В звезд, лежащих на и вблизи главной последовательности характеризуются излучением газа с температурой ~ 2 х 10б К, причем температура самого яркого рентгеновского источника среди приведенных равнялась 9.33 х 106К. Аппроксимация же данных наблюдения системы PSR В1259-63 телескопами AS С А тепловым излучением дает гораздо более высокую температуру Т ~ 108К (Kaspi et al., 1995). Совместный же анализ данных ASCA и OSSEb периастре вообще исключает тепловую модель из рассмотрения. Наконец тот факт, что наблюдаемая рентгеновская светимость намного ниже в апоастре, чем в периастре сложно объяснить в модели коронального излучения Be звезды. Следовательно, можно сделать вывод что наблюдаемое рентгеновское излучение системы не является корональным излучением Be звезды.
Излучение пульсара.
Пульсары с малым периодом иногда являются источниками рентгеновского излучения. Хотя обычно жесткое излучение наблюдают у значительно более молодых пульсаров чем PSR В1259-63 (~ 3 х 105 лет), его короткий период 48 мс делает вероятным возможность испускания им рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение от изолированных нейтронных звезд бывает двух видов - оно либо пульсирующее (Seward Sz Harden 1982, Seward et al. 1984), либо слабое непульсирующее тепловое излучение, возникающее при охлаждении нейтронной звезды ( Brinkmann et al. 1987; Halpern & Ruderman 1993). Поскольку наблюдаемое излучение является нетепловым, непульсирующим и зависит от орбитального положения пульсара, то можно сделать вывод, что ни один из перечисленных механизмов не является механизмом генерации излучения, наблюдаемого от системы PSR В1259-63.
Излучение при аккреции на поверхность нейтронной звезды.Двойные системы, содержащие нейтронную звезду с сильным магнитным полем и массивную звезду главной последователь ности, часто являются источниками рентгеновского излучения вследствии аккреции вещества звездного ветра на поверхность нейтронной звезды. В таких системах звездный ветер захватыва ется сильным магнитным полем нейтронной звезды и падает на ее магнитный полюс. Вблизи полюса падающее вещество высво бождает свою гравитационную потенциальную энергию, которая переходит в высокоэнергетические фотоны. Поскольку излучение возникает непосредственно у магнитного полюса, то рентгенов ское излучение будет сильно анизотропно (Шапиро & Тьюколски 1985). Следовательно, приходящее к наблюдателю жесткое излу чение будет модулировано вращением нейтронной звезды вокруг своей оси ( если магнитная ось звезды не совпадает с осью вра щения) . Таким образом, в этой модели генерируемое жесткое из лучение скорее всего окажется пульсирующим. Кроме того для спектров жесткого излучения аккрецирующих пульсаров характерны эмиссионные линии железа Ка и укручение спектра на энергиях 10-40 кэВ (Nagase 1989; White et al. 1983).
Излучение, приходящее от системы PSR В1259-63 обладает совершенно другими характеристиками. Прежде всего с моделью аккреции вступает в противоречие одновременное наблюдение рентгеновского излучения и радиоизлучения пульсара, которое при аккреции должно бы было быть подавлено. Во-вторых, данные ASCA свидетельствуют об отсутствии пульсаций жесткого излучения даже тогда, когда радиопульсар снова стал виден, а следовательно, отсутствие пульсаций в рентгеновском излучении не может быть объяснено геометрией, скрывающей полюс от наблюдателя. И наконец совместный анализ данных AS С А и OSSE показывает отсутствие в спектре жесткого излучения системы как эмиссионных линий, так и слома в спектре. Таким образом данные наблюдений свидетельствуют против аккреционного происхождения рентгеновского излучения от системы.
Эффект пропеллера
Если ветер Ве-звезды достаточно силен, то он может проникнуть внутрь светового цилиндра, где он будет остановлен магнитосферой пульсара, вращающейся вместе с нейтронной звездой (Ularionov, Sunyaev 1975). Высокий темп аккреции, необходимый для того чтобы вещество ветра Ве-звезды попало внутрь светового цилиндра, приводит к высвечиванию в рентгеновском диапазоне за счет магнитно-тормозных потерь практически всей гравитационной энергии (Burnard et al. 1983). Оценки, выполненные в работе Tavani&Arons (1997) показывают, что для системы PSR В1259-63 рентгеновская светимость, высвечиваемая захваченным веществом, превысила бы наблюдаемую на 2 порядка. К тому же в рамках этой модели радиоизлучение пульсара должно быть подавлено, что противоречит наблюдениям телескопов ASCA, зафиксировавших сильное непульсирующее радиоизлучение от системы в конце февраля 1994 года, когда радиоизлучение пульсара вновь стало видно.
Излучение аккреционного вещества, перехватываемого маг нитосферой пульсара. King & Cominsky (1994) предложили модель, согласно которой рентгеновское излучение в апоастре возникает вследствие высвобождения потенциальной гравитационной энергии газовым веществом на граничном радиусе, где магнитное давление пульсара равно давлению вещества звездного ветра Ве-звезды. В этой модели от системы должно детектироваться как пульсирующее радиоизлучение, так и рентгеновское излучение, если аккрецирующее вещество не проникнет внутрь светового цилиндра. В модели King & Cominsky (1994) граничный радиус в апоастре всего в 2 раза больше радиуса светового цилиндра. Вблизи же периастра плотность ветра Be звезды во много раз больше чем в апоастре и ничто не будет препятствовать проникновению вещества звездного ветра внутрь светового цилиндра, что приведет к исчезновению радиоизлучения. Следовательно, модель King & Cominsky (1994) не применима для объяснения генерации жесткого излучения от системы PSR В1259-63.
Излучение электронов пулъсарного ветра.
Как было показано, все рассмотренные выше модели генерации рентгеновского излучения не могут правильно описать свойства излучения, приходящего от системы PSR В1259-63. Рассмотрим две модели удовлетворительно описывающие регистрируемое излучение. а) Пульсарный ветер, содержащий электроны с 7 ~ Ю. Обратный комптон-эффект
Согласно работе Chernyakova & Illarionov (1999а) результатом обратного Комптоновского рассеяния оптических фотонов Be звезды на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра будет возникновение непульсирующего рентгеновского излучения, зависящего от орбитального положения пульсара. При расчете излучения необходимо учитывать гидродинамическое влияние ветра Ве-звезды на распространение пульсарного ветра. В результате столкновения двух сверхзвуковых ветров между компаньонами образуется система из двух ударных волн и релятивистские электроны и позитроны, первоначально радиально оттекающие от пульсара, после прохода ударной волны разворачиваются и начинают течь вдоль контактной поверхности. Большое различие в скоростях частиц по разные стороны тангенциального разрыва может привести к нарастанию неустоичивостеи и тогда ветры макроскопически перемешаются внутри слоя между двумя ударными волнами. В этом случае слой между двумя ударными волнами будет заполнен двухфазным потоком, состоящим из областей, заполненных релятивистскими и областей, заполненных нерелятивистскими частицами. При этом тяжелый нерелятивистский ветер компаньона замедлит движение областей, заполненных частицами пульсарного ветра, и релятивистские частицы приобретут нерелятивистскую дрейфовую скорость Vd вдоль ударной волны, в то время как их энергия практически не изменится. При этом время проводимое релятивистскими частицами вблизи компаньона увеличивается в ~ c/vd раз, приводя к увеличению коэффициента трансформации Keff ~ —К. Анализ данных наблюдения привел к выводу, что подобная картина наблюдается в системах G70.7+1.2 (Kulkarni et al. 1992) и LSI 61303 (Maraschi&Treves 1981) и излучение, регистрируемое от этих систем генерируется в области, заполненной двух- фазной жидкостью.
Расчеты показывают, что излучение, приходящее от системы при прохождении периастра, является результатом обратного комп-тоновского рассеяния тепловых фотонов на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра, прошедших ударную волну, распределенных степенным образом по энергии с показателем степени равным -2.4 в диапазоне 7mm ~ 10 < 7 и оттекающих с дрейфовой скоростью Vd <~ с/10 (Chernyakova &; Illarionov 1999а).
Таким образом, с учетом влияния ветра 5е-звезды рентгеновское излучение, приходящее от системы PSR В1259-63 может быть объяснено обратным комптоновским рассеянием оптических фотонов компаньона на релятивистских частицах пульсарного ветра. б) Пульсарный ветер, с электронами с 7 ~ Ю6. Синхротронное излучение.
Этот случай был подробно разобран в работе Tavani&Arons 1997. В этой работе было показано, что если ветер пульсара состоит из релятивистских частиц с лоренц-фактором 7 ^ Ю6, то при замагниченности пульсарного ветра а ~ 0.02 наблюдаемое рентгеновское излучение может быть объяснено синхротронним излучением релятивистских частиц, прошедших ударную волну.
Как видно из приведенного выше анализа, рентгеновское излучение, регистрируемое от системы PSR В1259-63, лучше всего объясняется излучением релятивистских электронов и позитронов пульсарного ветра. Однако, для определения параметров пульсарного ветра рентгеновских данных оказывается недостаточно. Для различия последних двух моделей описанных выше необходимо изучение широкополосного спектра непульсирующего излу- чения приходящего от системы. Так модель пульсарного ветра, содержащего релятивистские электроны и позитроны с лоренц-фактором 7 ~ 10 в отличии от модели с у ~ 10б предсказывает непульсирующее радиоизлучение от системы вследствии синхротронного излучения релятивистских частиц.
В 1994 году от системы PSR В1259-63 было и в самом деле зарегистрировано непульсирующее радиоизлучение (Johnston 1996). Наблюдения производились на 5 частотах 0.84, 1.4, 2.4, 4.8 и 8.4 ГГц. По данным телескопа MOST непульсирующее радиоизлучение существует не менее 100 дней после прохождения периастра. Следует отметить, что зарегистрированное непульсирующее радиоизлучение приходит не от пульсара как такового: в течении первых 65 дней после прохождения периастра интенсивность наблюдаемого непульсирующего радиоизлучения менялась в диапазоне 60-10 мЯн, в то время как одновременные наблюдения пульсара Паркским телескопом показали, что излучение самого пульсара на этих частотах никогда не превышало 10 мЯн. В работе Chernyakova&Illarionov (19996) показано, что непульсирующее радиоизлучение системы действительно может быть объяснено синхротронным излучением релятивистских частиц пульсарного ветра.
Таким образом, широкополосный спектр (рентген + радио) непульсирующего излучения системы PSR В1259-63 хорошо описывается излучением пульсарного ветра, содержащего релятивистские электроны и позитроны с лоренц-фактором 7 ~ Ю, и замагниченностью а ~ 10~3.
В первой главе диссертации вычисляется форма спектра рассеянного жесткого излучения Ь^(є, -ф), возникающего в двойной системе, содержащей эжектирующий пульсар и оптический компаньон, вследствии обратного комптон-эффекта, в случае произволь- ного значения параметра uj^/mc2. В случае малого коэффициента трансформации К <С 1 выведена аналитическая формулы для спектра рентгеновского и гамма-излучения 7(є,і/>).
Во второй главе диссертации приведены данные наблюдений единственной хорошо изученной двойной системы PSR В1259-63, содержащей радиопульсар и излучающей непульсирующее рентгеновское и радиоизлучение. В этой главе также приведены данные о свойствах Ве-звезд, необходимые для понимания природы возникновения и свойств непульсирующего излучения.
Третья глава диссертации посвящена анализу непульсирующего рентгеновского и радиоизлучения от двойной системы PSR В1259-63. В ней показано, что непульсирующее радиоизлучение является следствием синхротронного излучения релятивистских электронов и позитронов в магнитном поле пульсарного ветра, а рентгеновское излучение - результатом обратного комптонов-ского рассеяния оптических фотонов SS 2883 на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра.
Сравнение полученных теоретических результатов с данными наблюдения позволило сделать вывод о том, что вдали от пе-риастра ветры не перемешиваются и дрейфовая скорость релятивистских частиц достаточна высока Vd ~ с/3. При этом интенсивность возникающего непульсирующего излучения оказывается значительно ниже интенсивности излучения пульсара, что сильно затрудняет его регистрацию. При этом, как показывают расчеты, произведенные в третьей главе, в предположении об азимутальной симметричности оттекающего течения (v^, = 0) степень поляризации непульсирующего радиоизлучения будет достаточно высокой ~ 30%.
В Заключении представлены результаты вынесенные на защиту.
Спектральная и угловая зависимость рассеянного излучения
Расчеты показывают, что излучение, приходящее от системы при прохождении периастра, является результатом обратного комп-тоновского рассеяния тепловых фотонов на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра, прошедших ударную волну, распределенных степенным образом по энергии с показателем степени равным -2.4 в диапазоне 7mm 10 7 и оттекающих с дрейфовой скоростью Vd с/10 (Chernyakova &; Illarionov 1999а).
Таким образом, с учетом влияния ветра 5е-звезды рентгеновское излучение, приходящее от системы PSR В1259-63 может быть объяснено обратным комптоновским рассеянием оптических фотонов компаньона на релятивистских частицах пульсарного ветра.
Этот случай был подробно разобран в работе Tavani&Arons 1997. В этой работе было показано, что если ветер пульсара состоит из релятивистских частиц с лоренц-фактором 7 Ю6, то при замагниченности пульсарного ветра а 0.02 наблюдаемое рентгеновское излучение может быть объяснено синхротронним излучением релятивистских частиц, прошедших ударную волну.
Как видно из приведенного выше анализа, рентгеновское излучение, регистрируемое от системы PSR В1259-63, лучше всего объясняется излучением релятивистских электронов и позитронов пульсарного ветра. Однако, для определения параметров пульсарного ветра рентгеновских данных оказывается недостаточно. Для различия последних двух моделей описанных выше необходимо изучение широкополосного спектра непульсирующего излучения приходящего от системы. Так модель пульсарного ветра, содержащего релятивистские электроны и позитроны с лоренц-фактором 7 10 в отличии от модели с у 10б предсказывает непульсирующее радиоизлучение от системы вследствии синхротронного излучения релятивистских частиц.
В 1994 году от системы PSR В1259-63 было и в самом деле зарегистрировано непульсирующее радиоизлучение (Johnston 1996). Наблюдения производились на 5 частотах 0.84, 1.4, 2.4, 4.8 и 8.4 ГГц. По данным телескопа MOST непульсирующее радиоизлучение существует не менее 100 дней после прохождения периастра. Следует отметить, что зарегистрированное непульсирующее радиоизлучение приходит не от пульсара как такового: в течении первых 65 дней после прохождения периастра интенсивность наблюдаемого непульсирующего радиоизлучения менялась в диапазоне 60-10 мЯн, в то время как одновременные наблюдения пульсара Паркским телескопом показали, что излучение самого пульсара на этих частотах никогда не превышало 10 мЯн. В работе Chernyakova&Illarionov (19996) показано, что непульсирующее радиоизлучение системы действительно может быть объяснено синхротронным излучением релятивистских частиц пульсарного ветра.
Таким образом, широкополосный спектр (рентген + радио) непульсирующего излучения системы PSR В1259-63 хорошо описывается излучением пульсарного ветра, содержащего релятивистские электроны и позитроны с лоренц-фактором 7 Ю, и замагниченностью а 10 3.
В первой главе диссертации вычисляется форма спектра рассеянного жесткого излучения Ь (є, -ф), возникающего в двойной системе, содержащей эжектирующий пульсар и оптический компаньон, вследствии обратного комптон-эффекта, в случае произвольного значения параметра uj /mc2. В случае малого коэффициента трансформации К С 1 выведена аналитическая формулы для спектра рентгеновского и гамма-излучения 7(є,і/ ).
Во второй главе диссертации приведены данные наблюдений единственной хорошо изученной двойной системы PSR В1259-63, содержащей радиопульсар и излучающей непульсирующее рентгеновское и радиоизлучение. В этой главе также приведены данные о свойствах Ве-звезд, необходимые для понимания природы возникновения и свойств непульсирующего излучения.
Третья глава диссертации посвящена анализу непульсирующего рентгеновского и радиоизлучения от двойной системы PSR В1259-63. В ней показано, что непульсирующее радиоизлучение является следствием синхротронного излучения релятивистских электронов и позитронов в магнитном поле пульсарного ветра, а рентгеновское излучение - результатом обратного комптонов-ского рассеяния оптических фотонов SS 2883 на релятивистских электронах и позитронах пульсарного ветра.
Сравнение полученных теоретических результатов с данными наблюдения позволило сделать вывод о том, что вдали от пе-риастра ветры не перемешиваются и дрейфовая скорость релятивистских частиц достаточна высока Vd с/3. При этом интенсивность возникающего непульсирующего излучения оказывается значительно ниже интенсивности излучения пульсара, что сильно затрудняет его регистрацию. При этом, как показывают расчеты, произведенные в третьей главе, в предположении об азимутальной симметричности оттекающего течения (v , = 0) степень поляризации непульсирующего радиоизлучения будет достаточно высокой 30%.
Рентгеновское излучение от системы
Из данных наблюдений Ве-звезд в инфракрасном диапазоне следует эмпирическая зависимость плотности вещества в диске ро от светимости Ве-звезды (Waters et al. 1987). Из этой зависимости для PSR В1259-63 следует ро 10_11г/см3
Показатель степени п меняется для различных звезд в диапазоне 2 п 4. Угол раскрытия диска 9 меняется в диапазоне 5 — 15 (Waters et al. 1987). В таблице 2 приведены параметры дисков для ряда Ве-звезд.
Результаты наблюдения эмиссионной линии На в спектре излучения SS2883 указывают на то, что диск Ве-звезды имеет радиус не менее 20 i ., что приблизительно равно расстоянию между компаньонами в момент периастра. Тайминг пульсара показал, что по всей видимости диск Ве-звезды сильно наклонен по отношению к орбитальной плоскости (Wex et al., 1998).
Радионаблюдения излучения пульсара PSR В1259-63 производились в течении нескольких месяцев до и после прохождения периастра в 1994 году на 64 метровом Паркском телескопе на частотах 1.5, 2.3, 4.8 и 8.4 ГГц (Johnston et al., 1996). Наблюдения показали деполяризацию излучения начиная с т\ — 100, увеличение меры дисперсии вблизи ті — 25, исчезновение излучения пульсара с ті — 18 по ті + 17 и очень сильное и резкое падение меры вращения вблизи т\ + 30. Полное восстановление всех свойств излучения произошло только к середине апреля 1994 года (ті + 94). В таблицах 3 и 4 отражена зависимость меры дисперсии и меры вращения от времени. Вдали от периастра излучение имеет высокую степень линейной поляризации, его интенсивность меняется слабо и не превышает 10 мЯн на всех частотах. На рисунке пульсара с экваториальным диском Ве-звезды (Lipunov et al., 1994; Johnston et al. 1996). Исчезновение излучения вблизи пери-астра вызвано свободно-свободным поглощением в диске. Оптическая толща свободно-свободного поглощения вдоль луча зрения равна v- частота, на которой производят наблюдение в гц, пе(/)- плотность свободных электронов на луче зрения в см-3, /- координата вдоль луча зрения.
Система PSR В1259-63 в период прохождения пульсара через пе-риастр т\ и тг также наблюдалось телескопом MOST на частоте 0.84 ГГц и телескопами АТС А на частотах 1.4, 2.4, 4.8 и 8.4 ГГц. Ими было зафиксировано непульсирующее радиоизлучение от системы, достоверно возникающее за 20 дней до периастра и продолжающееся по крайней мере 100 дней после. Источник излучения разрешен не был. В период затмения пульсара непульсирующее излучение было очень сильным, значительно превышающим интенсивность излучения пульсара на соответствующих частотах вдали от периастра. На рисунках 2.4 и 2.5, взятых из статьи Johnston 1999, показаны кривые блеска системы вблизи периастра 1994 и 1997 годов соответственно. На рисунке показано суммарное радиоизлучение излучение, неразделенное на пульсирующую и непульсирующую составляющие. Данные наблюдений представлены в таблице 5. Во время затмения пульсара не было зафиксировано никакого поляризованного излучения. Данные 1997 года дают верхний предел на поляризованное излучение 0.3 мЯн (Зсг) на всех частотах, что меньше одного процента излучения в максимуме.
С момента открытия система PSR В1259-63 неоднократно наблюдалась в рентгеновском диапазоне. Первые наблюдения были произведены телескопом ROSAT в 1991-1992 годах, при прохождении пульсаром апоастра (Cominsky et al. 1994, Greiner et al. 1995). В январе 1994 года телескопы ASCA и OSSE наблюдали прохождение пульсара через периастр (Grove et al.1995, Kaspi et al. 1995). Телескопами ASCA также было произведено наблюдение системы 28 февраля 1994 года, спустя 60 дней после прохождения периастра (Hirayama et al. 1996). Прохождение следующего апоастра с февраля 1995 года по январь 1996 года отслеживалось телескопами ASCA и OSSE ( Hirayama et al. 1999). На рисунке 2.6 графически представлены орбита пульсара и моменты рентгеновских измерений.
Измерения показывают, что вблизи периастра светимость в диапазоне 1-10 кэВ равна Zq-ю 1034эрг/с, в диапазоне 50-200 кэв - 50-200 — 3 х 1034эрг/с, таким образом при прохождении периастра порядка 10% энергии теряемой пульсаром при вращении переходит в жесткое излучение. Комбинированный спектр излучения, полученный различными телескопами показан на рисунке 2.7. Спектр рентгеновского излучения от системы аппроксимируется степенным законом На рисунке 2.8 показана кривая блеска системы в диапазоне 1-10 кэВ. Рентгеновская светимость зависит от орбитального положения пульсара, различаясь в периастре и апоастре приблизительно в 10 раз. Светимость системы в рентгене при прохождении через периастр в 1995 г. совместима с данными полученными при наблюдении прохождения через периастр в 1992 г. Недавний анализ данных телескопа ASM, находящегося на спутнике RXTE, полученных вблизи периастра 1997 года, дает верхний предел на поток в диапазоне 2-10 кэВ равный (0.5 ± 2.4) х 10_11эрг с-1 см-2 (Kaspi & Remillard 1998), что хорошо согласуется с данными полученными AS С А при наблюдении прохождения периастра в 1994 году.
Непульсирующее радиоизлучение - результат синхротронного излучения электронов пульсарного ветра
Взаимодействие релятивистских и нерелятивистских ветров пока плохо изучено, однако в работе Melatos et al. (1995) было показано, что структура ударных волн в этом случае весьма близка к структуре ударных волн, возникающих при столкновении двух нерелятивистских сверхзвуковых потоков. Этот случай был широко исследован, особенно в приложении к столкновению ветров звезд Вольфа-Райе и ОВ-звезд в двойной системе. Начиная с работы Прилуцкого и Усова (1976) были проведены как численные (Luo et al. 1990; Stevens et al. 1992), так и теоретические ( Giuliani 1982; Girard & Willson 1987; Байрамов, Пилюгин & Усов 1990; Usov 1992; Canto et al. 1996) расчеты. В этих работах было показано, что на расстояниях гс г гсог форма ударных волн с хорошей степенью точности аппроксимируется коническими поверхностями. Здесь гс - расстояние между звездой "1", испускающей более слабый ветер, и контактной поверхностью ( для случая столкновения нерелятивистских ветров rc = a /a /(l + у/Щ;) , анр = vxM\jv2M2 1 ) , rcor = РогЬЩІ% расстояние на котором скорость вращения 2-кгС0Г/Р0Гъ превышает скорость доминирующего ветра v2 и становится заметным действие сил Кориолиса.
Подставляя в формулу (3.1) характерные параметры ветра Ве-звезды М = 10-8М_8.М/год и скорость ветра VQ = 108 g найдем, что отношение импульсов пульсарного ветра и полярного ветра Be звезды равно а = 0ЛЬ/у$М-$. Таким образом, динамические давления релятивистского и нерелятивистского ветров близки по величине и в системе PSR В1259-63 возникают две центрально расположенные ударные волны 5i, S2 (рис. 3.1).
Посколько числа Маха много больше единицы в обоих ветрах, то обе ударные волны являются сильными и из условий Ранкина-Гюгонио следует, что после прохождения ударной волны компонента направленной скорости перпендикулярная к ударной волне уменьшится в 3 и 4 раза соответственно для релятивистских частиц и нерелятивистских частиц (Ландау, Лифшиц 1986). Вначале частицы пульсарного ветра и ветра Ве-звезды текут ра-диально от пульсара и Ве-звезды соответственно. После пересечения ударной волны они разворачиваются и начинают течь вдоль контактной поверхности. Большое различие в скоростях частиц по разные стороны тангенциального разрыва может привести к нарастанию неустойчивостей. В этом случае ветры макроскопически перемешаются внутри слоя между двумя ударными волнами и этот слой будет заполнен двухфазным потоком, состоящим из областей, заполненных релятивистскими и областей, заполненных нерелятивистскими частицами. При этом тяжелый нерелятивистский ветер компаньона замедлит движение областей, заполненных частицами пульсарного ветра, и релятивистские частицы приобретут нерелятивистскую дрейфовую скорость у вдоль ударной волны, в то время как их энергия практически не изменится. Анализ данных наблюдения привел к выводу, что подобная картина наблюдается в системах G70.7+1.2 (Kulkarni et al. 1992) и LSI 61303 (Maraschi&Treves 1981) и излучение, регистрируемое от этих систем генерируется в области, заполненной двухфазной жидкостью. В рамках предположения об эффективном перемешивании все физические величины можно считать слабо меняющимися поперек слоя (поверхность U на рис. 3.1). Максимальную величину дрейфовой скорости до которой можно разогнать нерелятивистский ветер, перекачивая энергию из релятивистского пульсарного ветра, можно определить из условия равенства энергии в релятивистском и нерелятивистском ветрах Здесь это угол АРС, О, = 27г(1 — cos С) - телесный угол под которым из пульсара видно пересечение поверхности U с ударной волной i (Q меняется от 0 до 47г), &ве -телесный угол под которым из Ве-звезды видно пересечение поверхности U с ударной волной 52 Произвольный поток излучения, помимо частотной зависимости, характеризуется четырьмя независимыми параметрами, в качет-ве которых обычно выбирают параметры Стокса. Для излучения отдельной частицы эти параметры выражаются через плотности потоков излучения с двумя основными направлениями поляризации р$ и pffl, а также через tan - отношение малой и большой осей эллипса колебаний электрического вектора и отдельных электронов некогерентно и параметры Стокса аддитивны.
Степенной спектр непульсирующего рентгеновского излучения, регистрируемый от системы PSR В1259-63, позволяет предположить, что в пульсарном ветре за ударной волной релятивистские электроны и позитроны имеют степенное распределение по энергии dne± = Kee 2Ads, є єтіп. Степенное распределение частиц по энергиям может быть либо начальным степенным распределением релятивистских частиц в пульсарном ветре (Tademaru 1973; Lominadze et al. 1983), либо вызвано ускорением частиц на ударной волне (Gallant et al. 1994). В этом случае плотность потока синхротронного излучения на частоте v (везде в тексте v измеряется в ГГц) у Земли от малого элемента объема dV = dldS = V39 1039 с ЛІ3 (I -координата вдоль луча зрения) с магнитным полем JE?2 будет равна (Корчак, Терлецкий 1952)
Рентгеновское излучение, как результат обратного комптоновского рассеяния
Как было показано в первой главе, двойная система с эжектиру-ющим пульсаром и компаньоном излучающим мягкие тепловые фотоны является источником непульсирующего рентгеновского и гамма излучения вследствии обратного комптоновского рассеяния фотонов релятивистскими электронами и позитронами пуль-сарного ветра.
Предположим, что распределение частиц в ветре по энергиям в диапазоне 7min 7 Imax имеет степенной характер по форме с данными наблюдений отличается от них по интенсивности в 30 раз. Расхождение связано с тем, что формула 3.21 была получена в предположении о свободно распространяющемся пульсарном ветре. Это предположение не выполняется в системе PSR В1259-63 в связи с сильным оттоком вещества с поверхности Ве-звезды, приводящем, как отмечалось выше, к снижению скорости оттока релятивистских частиц за ударной волной до v . При этом время, проводимое релятивистскими частицами вблизи компаньона, увеличивается в c/v раз, приводя к увеличению коэффициента трансформации Keff —К.
Оценим интенсивность жесткого излучения системы, предполагая для релятивистских электронов и позитронов пульсарного ветра после ударной волны S\ степенное распределение по энергии и изотропное распределение по скоростям. Рассмотрим малый элемент объема dV , заполненный релятивистской плазмой, расположенный в слое между двух ударных волн на расстоянии R от Ве-звезды. В случае изотропного распределения релятивистских электронов и позитронов число частиц при рассеянии на которых фотонов с энергией ш приобретают энергию є и движутся в направлении наблюдателя, равно:
Тогда, в соответствии с формулами (1.14), (1.15), (1.16) число фотонов N, регистрируемых наблюдателем в единицу времени с единичной площади на Мэв равно где в- угол рассеяния фотона. Для простоты примем плотность фотонов вдоль слоя между ударными волнами постоянной и равной плотности фотонов на расстоянии R = 1013см. Фактор AV может быть оценен из закона сохранения энергии, путем приравнивания втекающей и вытекающей в слой между двух ударных волн энергии LpQ/4:7r = AVmc2Vd y n/ a{s — 2), где Q - телесный угол, под которым от пульсара видна часть ударной волны, испускающей максимум излучения. Таким образом в то время как наблюдаемая интенсивность излучения на 100 Кэв равна 2.8 х 10-3 / от/с/см2/Мэв. Таким образом наблюдаемый спектр может быть объяснен обратным комптоновским рассеянием оптических фотонов компаньона на частицах пульсарного ветра. Следует также добавить, что для частиц с большим Лоренц-фактором 7 l v ilc предположение о постоянстве Лоренц-фактора является неверным вследствии больших потерь при обратном комптоновском рассеянии и в спектре рассеянного возмущения возникнет слом при на энергии є = u 1v\/c2. Показатель степени фотонного спектра после слома будет больше первоначального на 1/2. Из (3.23) также видно, что имеет место эффект фокусировки - интенсивность рассеянного излучения пропорциональна (1 — cos )(1+s 2 и таким образом большая часть излучения испускается в направлении компаньона.
Данные наблюдения системы PSR В1259-63, как это было изложено во второй главе, показывают, что значимое непульсирующее радиоизлучение от системы возникает только за 20 дней до периастра и примерно в это же время полностью исчезает пульсирующее излучение, что свидетельствует о том что в это время пульсар пересекает диск Ве-звезды, поглощающий пульсирующее радиоизлучение. До этого момента непульсирующее излучение достоверно не зафиксировано и если и есть, то не превышает уровень нескольких мЯн (таблица 5). Анализ непульсирующего радиоизлучения, возникающего вследствие синхротронного излучения релятивистских электронов (раздел 3.2) показывает, что это свидетельствует о большой дрейфовой скорости электронов и о том, что ветры в этом случае не перемешиваются. Излучение будет поляризовано со степенью поляризации 30%.
В результате взаимодействия пульсара и пульсарного ветра с диском Ве-звезды диск частично разрушится (Ivanov et al. 1998), часть вещества диска начинает выплескиваться, что приводит к добавочному возмущению течения релятивистских частиц за ударной волной, замедлению их дрейфовой скорости и, как следствие, нарастанию интенсивности непульсирующего радиоизлучения. Наблюдаемая интенсивность излучения может быть объяснена дрейфовой скоростью Vd с/10. Смешение ветров приведет к увеличению электронной плотности на пути луча зрения и излучение станет неполяризованным.
Наблюдаемый максисмум непульсирующего радиоизлучения со-ответсвует времени второго пересечения пульсара диска Ве-звезды. Выплескивание вещества из диска будет происходить в течении некоторого времени и после прохождения пульсара, однако чем дальше будет находиться пульсар, тем слабее окажется влияние выбрасываемого вещества и наконец перемешивание ветров прекратится и непульсирующее излучение станет опять поляризованным и очень слабым.
