Неклассические проявления эволюции нейтронных звезд в двойных системах Назин, Сергей Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы

Нейтронные звезды, открытые как одиночные радиопульсары [12], являются одними in наиболее интересных объектов в астрономии (подробное объяснение фишки нейтронных звезд см. например у Шапиро и Тьюколски, [С]). Яркие успехи рентгеновской астрономии 70-80х годов в основном были связаны с наиболее эффектным проявлением нейтронных звезд в двойных системах - стадией аккреции вещества [1, 2, 5, 25, 27]. Стадия аккреции оказалась наиболее хорошо изученной для компактных звезд (белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр) в двойных системах.

Однако сразу после их открытия стало ясно [7], что их проявлення не ограничиваются только радиопульсарами - нейтронная звезда всегда окружена плазмой, а значит нужно учитывать всевозможные режимы взаимодействия этого вещества с замагниченной вращающейся нейтронной звездой. Эти соображения особенно ярко проявляются, если рассмотреть нейтронную звезду в двойной звездной системе [3]. Действительно, открытие рентгеновских пульсаров [26] в массивных двойных системах, рентгеновских барстеров [11] в маломассивных двойных рентгеновских системах, наконец, радиопульсаров в паре с обычными ОВ-звездами [14] явились блестящим подтверисденпем пионерских идей, выдвинутых В.Ф.Шварцманом [7, 8] и развитых в работах Лппунова [3,16]. Таким образом, изучение неаккреционных стадий нейтронных звезд было и остается актуальной задачей.

С другой стороны, продолжались интенсивные исследования радиопульсаров, увенчавшиеся весьма важными открытиями (двойные пульсары [13]; миллпсекундные пульсары [10]). В настоящее время известно около 700 одиночных пульсаров [28], около 40 двойных пульсаров (примерно половина из них находится в шаровых звездных скоплениях, где динамический захват звезд становится эффективным фактором

эволюции). Общее число пульсаров в Галактике оцениваемся в К)⁵.

Особенно важными оказались двойные пульсары длительное слежение за таймингом PSR 1913+1G позволило обнаружить уменьшение орбитального периода из-за уноса углового момента гравитационными волнами в блестящем соответствии с предсказаниями общей теории относительности А.Эйнштейна. Сейчас известно 5 двойных пульсаров с нейтронными звездами [24], около 15 двойных пульсаров с белыми карликами [28], 1 пульсар PSR 1259-G3 в паре с Ве-звездой [14] (еще один пульсар PSR В0042-73 открыт в Малом Магеллановом Облаке [15]). В настоящее время двойные пульсары с орбитальными периодами Р ~ 14 часов, которые способны слиться из-за гравитационного излучения за космологическое время « 1.5 х 10¹⁰ лет, являются важнейшим наблюдательным основанием существования сливающихся двойных нейтронных звезд во Вселенной, которые считаются одними из наиболее перспективных источников гравитационных волн для обнаружения строящимися лазерными интерферометрами LIGO, VIRGO, GEO-600 и др. [9]. Возникает вопрос: только ли сливающиеся нейтронные звезды являются источниками гравитационных волн с амплитудой, достаточной для обнаружения (Л ~ 10~²²) с приемлемой частотой около 1 раза в несколько лет? Этот вопрос также рассматривается в настоящей работе.

Цели и задачи диссертации

Целью настоящей работы, начатой в 1990 г., было изучение нетрадиционных астрофизических проявлений нейтронных звезд - как в двойных системах, так и одиночных. Задачей ставилось исследовать (тогда еще не открытые) пульсары в двойных системах с оптическими компаньонами - массивными ОВ- и Ве-звездами. Требовалось ответить на во-

прос, почему мало двойных пульсаров с оптическими компонентами. Ставилась задача рассмотреть как еще может проявлять себя чжектпрующая нейтронная звезда и двойной системе с оптическим компонентом.

Вторая часть работы посвящается ответу на вопрос каковы могут быть гравитационно-волновые проявления нейтронных звезд (как одиночных, так н в двойных пульсарах). Ставится задача о гравитационном излучении при формировании объектов типа Торна-Житковой, когда нейтронная звезда находится на стадии с- общей оболочкой с массивной звездой.

Третья часть работы связана с изучением вспышек сверхновых как источников гравитационных волн. На основе анализа наблюдамых скоростей радиопульсаров выводится реалистическая функция распределения ГВ-сигнала при вспышках сверхновых связанных с коллапсом ядер массивных звезд (II и lb). Далее, используя реалистическое распределение ба-рнонной материн в ближайших окрестностях до 30 Мпк согласно каталогу Туллн [29], расчитывается ожидаемая частота ГВ-спгналов от вспышек сверхновых из этой области Вселенной с амплитудой Л выше заданной.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые подробно исследованы радиопульсары в двойных системах с оптическими компонентами.

Построена модель, так называемого, "Вынужденного радиопульсатора", в которой частицы, зжектируемые пульсаром, захватываются магнитосферой нормальной звезды во время прохода пульсара через периастр орбиты. Модель -хорошо объясняет данные наблюдений источника LSI +61303.

Впервые показано, что наблюдаемые высокие эксцентриситеты орбит двойных систем (радиопульсар + оптический компаньон) могут быть полностью объяснены эффектами се-

лекции, (-вязанными с поглощением радиоизлучения в звечд-ном ветре оптического компаньона.

Впервые расчитано гравитационно-волновое излучение, возникающее при образовании объектов типа Торна-Житковой.

Впервые построена "гравитационно-волновая" карта неба, учитывающая распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых.

Научная и практическая значимость работы

Анализ эволюции двойных систам содержащих радиопульсар и нормальную компоненту показал, что наблюдаемый дефицит таких систем полностью объясняется учетом эффектов

сокращения времени жизни радиопульсара в двойной системе из-за присутствия аккреционных потоков;

поглощения радиоизлучения в звездном ветре нормальной компоненты;

распада двойных систем в результате первого взрыва, за счет существования анизотропии коллапса в нейтронную звезду.

Анализ гравитационно-волнового излучения от формирующихся объектов типа Торна-Житковой показал, что они могут быть эффективным источником гравнташюных волн. Сигнал от формирующихся объектов типа Торна-Житковой может быть зарегистрирован на частотах от Ю^-5 до ~ 0.1 Гц на уровне h ~ Ю^-23'⁵ при расстоянии до источника 10 кик.

Найдено, что для нейтронных звезд с достаточно сильным магнитным полем В > 10¹³ Гс может реализоваться эффект "гравитационно-волнового пульсара", связанного с анизотропией излучения нейтрино в сильных магнитных полях. Такие

"пульсары" могут порождать гравитационно-волновой сигнал с амплитудой до //-/ ~ 3 К)^-*¹ па расстояниях ~ 10 кик на частоте вращения замлгнпчонной нейтронной звезды и возникают в следующих астрофизических ситуациях:

Во время образования объектов типа Торна-Житковой, когда нейтронная звезда с сильным магнитным полем движется по спирали внутрь плотной оболочки массивного красного гиганта в тесной двойной системе.

Во время вспышки сверхновой, когда формируется нейтронная звезда с сильным магнитным полем.

На последней стадии слияния двойной системы содержащей две нейтронные звезды (нейтронную звезду и черную дыру), если одна из компонент обладает сильным магнитным полем.

Полученные зависимости logiV — log/t_c для гравитационно-волновых сигналов от вспышек сверхновых типа II и lb из ближайших 30 Мпк вокруг нашей Галактики с учетом реалистической функции распределения гравитационно-волновых сигналов по амплитуде и реального распределения барион-ногО вещества в этой области Вселенной предсказывают несколько событий в год на уровне чувствительности лазерного интерферометра типа LIGO-II (h ~ Ю^-23), что является важнейшим теоретическим предсказанием для гравитационно-волновой астрономии XXI века.

Положения, выносимые на защиту

1. Объяснен наблюдаемый дефицит радиопульсаров в двойных системах с оптическим компаньоном и получены аналитические оценки вклада в этот эффект

сокращения времени жизни радиопульсара в двойной системе из-за присутствия аккреционных потоков;

поглощения радиоизлучения в звездном ветре нормальной компоненты;

распада двойных систем в результате первого взрыва, за счет существования анизотропии коллапса в нейтронную звезду.

1. Построена модель, так называемого, "Вынужденного радпопульсатора", в которой частицы, эжектнруемые пульсаром, захватываются магнитосферой нормальной звезды во время прохода пульсара через периастр орбиты. Модель хорошо объясняет данные наблюдений источника LSI +6Г303.

2. Показано, что наблюдаемые высокие эксцентриситеты орбит двойных систем (радиопульсар +- оптический компаньон) могут быть полностью объяснены эффектами селекшш, связанными с поглощением радиоизлучения в звездном ветре оптического компаньона.

3. Расчптано гравитационно-волновое излучение, возникающее при образовании объектов типа Торна-Житковой. Показано, что кроме ГВ излучения на удвоенной орбитальной частоте погружающейся в оболочку красного гиганта нейтронной звезды, при наличии сильного магнитного поля у нейтронной звезды может возникать ГВ сигнал, промодулнрованный частотой вращения нейтронной звезды (т.н. ТВ-пульсар'). Это излучение в принципе может быть зарегистрировано в планирующихся экспериментах по обнаружению гравитационных волн.

о. Построена "гравитационно-волновая" карта неба, учитывающая распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых. Использовалось наблюдаемое распределение вещества в пределах ~ ЗОМпс по Каталогу Ближайших Галактик Туллн.

Карта построена для детектора, имеющего угловое разрешение 1 на частоте 1 кГц.

Апробация результатов и публикации

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях п семинарах:

1. International conference- он Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millennium (Snowmass, Colorado, USA, 1994)

2. КОСМИОН-94 (конференция памяти А.Д. Сахарова и Я.Б. Зельдовича) (Москва, 1994)

3. Международная конференции памяти Г.А. Гамова (Одесса, 1994)

4. Семинар "Физика нейтронных звезд" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), 1995

5. Международная школа по релятивистской астрофизике Лез Уш (Франция, 1995)

6. Международный симпозиум "Источники и Детекторы Гравитационных Волн" (Пиза, Италия, 1996)

7. КОСМИОН-90 (Москва, 1996)

8. Семинар "Физика нейтронных звезд" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе). 1997

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Lipunov V.M., Na'zin S.N., "Ejectors in Binary Systems". In: Frontier objects in Astrophysic and Particle Physics, Ital. Phys. Soc, Vulcano Workshop (1993).

2. Lipuuov V.M.. Na/.iu S.N., Osmiukiu E.Yu., Piokhomv M.E., "The Binary Radio-pulsar with Optical Companion". Astron. fc Astrophys. (1994), 282, 61.

3. Lipuuov V.M.. Nazin S.N.. "The Model of the. Source LSI+61 ЖҐ.

Astrou. & Astrophys. (1994), 289, 822.

4. Lipuuov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E., Postnov K.A.,
Piokhorov M.E., "Gravitational Wave Sky".

Astron. & Astrophys., (1995), 298, 677.

5. Nazin S.N., Postnov K.A., ''Gravitational Radiation during
Thome-Zytkow object, formation".

Astron. fc Astrophys. (1995), 303, 789.

G. Lipuuov V.M., Nazin S.N., Panchenko I.E.. Postnov K.A., Prokhorov M.E.. "Gravitational Wave Sky". Astron. k. Astrophys. Transaction, (1996), 10, 53.

7. Назин C.H., Постнов К.А., "Гравитационно-волновой 'пульсар' внутри объекта типа Торна-Житковой". Письма в Ас-трон. Жури. (1997). том 23. 2, 1-8.

8. Nazin S.N., Postnov К.А., "High Neutron Star Birth Velocities and Gravitational Radiation during Supernova Explosions"

Astron.& Astrophys. Lett., (1997). 317, L79-L81.

Личный вклад автора

В работах посвященных исследованию двойных систем содержащих радиопульсар с: оптическим компаньоном, личный вклад автора заключается в получении оригинальных аналитических оценок, объясняющих дефицит радиопульсаров в

двойных системах с оптическим компаньоном, а также в расчете -эффектов селекции объясняющих высокие іксцентрнсп-теты двойных систем типа радиопульсар + оптический компаньон.

Автором самостоятельно разработана модель, позволяю-щая хорошо объяснить данные наблюдении источника LSI +СГ303.

В работах, посвященных гравитационно-волновому излучению, возникающему в процессе образования объектов типа Торна-Житковой, автором проведены все расчеты и получена большая часть аналитических оценок.

Непосредственно автором были построены карты гравитационно-волнового неба, учитывающие распределение по небу частоты и амплитуды событий, связанных со вспышками сверхновых.

Структура и объем диссертации