Введение к работе
Актуальность темы. Притягательность исследований в области астрофизики высоких энергий и их важность связаны, прежде всего, с тем, что они направлены на изучение объектов, в которых реализуются экстремальные физические условия, недостижимые в лабораториях на Земле. С каждым годом список подобных объектов пополняется. К настоящему времени он включает уже тысячи источников рентгеновского и гамма-излучения разной природы: нейтронные звезды и черные дыры, горячий газ в скоплениях галактик и d остаткзх вспышек сверхновых, активные ядра галактик и квазары.
В нюне 1987 г. н& орбите начала работу международная обсерватория РЕНТГЕН на модуле КВАНТ. Уже в ходе первого года наблюдений ею были обнаружены два новых уникальных источника жесткого рентгеновского излучения: сверхновая 1987А в Большом Магеллановом Облаке и рентгенозская новая в созвездии Лисичка. Сверхновая 1987А - это источник принципиально новой нетепловой природы, ее рентгеновское излучение формируется в результате распада внутри оболочки сверхповой радиоактивного мСо, 0.075 М& которого образовалось при взрыве. Наблюдения новой в Лисичке 1988 г. доказали существование нового многочисленного класса рентгеновских двойных, содержащих черную дыру, и, фактически, положили начало широкомасштабным исследованиям черных дыр в жестких рентгеновских и гамма-лучах.
Изучение рентгеновских свойств аккрецирующих черных дыр стало главной задачей обсерватории ГРАНАТ, выведенной на орбиту 1 декабря 1989 г. Наблюдения кандидатов в черные дыры в разных спектральных состояниях, изучение зависимости жесткость спектра-спетимость, оценки темпа аккреции, исследования быстрой хаотической переменности рентгеновского излучения н обнаружение квазипернодических осцилляции - все эти результаты существенно расширили наше понимание процессов, протекающих при дисковой аккреции вещества на черную дыру, позволили наложить сильные ограничения на возможные модели дисковой аккреции.
С началом работы орбитальных обсерваторий РОСАТ и АСКА подобная революция произошла и в исследованиях внегалактических рентгеновских источников н, прежде всего, d изучении распределений плотности и температуры горячего газа в скоплениях галактик и измерении гравитационной массы (массы невидимого вещества) скопления. Важнейшим этапом здесь стало доказательство существования повышенной концентрации газа вблизи отдельных галактик (или групп галактик) скопления.
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов, ответственных за формирование спектров рентгеновского н гамма-излучения сверхновой 1987А и компактных рентгеновских источников - аккрецирующих черных дыр в двои-
пых системах, исследование мелкомасштабной структуры рентгеновского излучения скоплений галактик.
Научная новизна. В работе впервые детально рассчитаны спектры рентгеновского и гамма-излучения сверхновой 1987А, связанные с комптоннзацией гамма-фотонов распада 68Со в оболочке. Указаны факторы, влияющие на сроки появления, величину и форму cnei pa рентгеновского излучения и излучения в гамма-линиях прямого вылета. Получены приближенные формулы, описывающие комптонизацню гамма-квантов (hv ~ 1 МэВ) в облаке с однородным распределением плотности. Впервые проведены расчеты искажений спектра рентгеновского излучения звездного остатка (молодого пульсара, аккрецирующих нейтронной звезды или черной дыры) в оболочке при разных предположениях о форме спектра, рассчитан вклад радиоактивного изотопа "Со в рентгеновское излучение сверхновой. Впервые проведены расчеты отклонения болометрической оптической и инфракрасной кривой блеска СН 1987А от экспоненциального закона с характерным временем спада ~ 111 дней, сиязанного с выходом заметной доли светимости из оболочки в виде жесткого излучения, светимостью звездного остатка в ее центре или с энерговыделением при распаде других, отличных от мСо, радиоактивных элемектов.На основе построенных мод<чен дана интерпретация наблюдений жесткого излучения СН 1987А приборами модуля КВАНТ, определена степень перемешивания 58Со в оболочке и получен сильный верхний предел на относительное обилие "Со/^Со.
Впервые представлены результаты широкомасштабных наблюдений аккрецирующих черных дчр в нашей Галактике прибором ГСПС обсерватории РЕНТГЕН на модуле КВАНТ и телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТ. Дана теоретическая интерпретация этих наблюдений, поставлены сильные ограничения на модели дисковой аккреции. Проведен детальный анализ популяции рентгеновских источников в области центра Галактики, обнаружены пять ранее неизвестных источников, несколько источников предложено включить в список кандидатов в черные дыры.
Разработан новый мощный метод на Сазе преобразования пейвлет для анализа рентгеновских изображений и исследования мелкомасштабной структуры рентгеновского излучения скоплений и групп галактик.
Научная и практическая ценность работы. Проведенные расчеты спектров ожидающегося рентгеновского излучения СН 1987А показали, что поюк рентгеновского излучения достигнет уровня, доступного наблюдениям, уже в начале осени 1987 г. Это заключение стимулировало ранние наблюдении области Большою Магелланова Облака модулем КВАНТ, которые привели к обнаружению жесткого рентгеновского излучения сверхновой. Последующее сравнение расчетных и экспериментальных данных позволило сделать ряд заключений относительно структуры оболочки и особен-
постой распределения d ней радиоактивного кобальта. Предсказанное в работе отклонение оптической кривой блеска СН 1987Л от экспоненциального закона со временем спада ~ 111 дней, связанное с выходом значительной доли светимости радиоактизного кобальта в виде жесткого излучения, было обнаружено в начале февраля 1988 г. Возможно, подтверждено и предсказанное в работе отклонение кривой блеска сверхновой из-за присутствия под оболочкой дополнительного источника энергии (звездного остатка и других, отличных от иСо, радиоактивных элементов).
В работе проведено систематическое исследование рентгеновских свойств аккрецирующих черных дыр, поставлены сильные ограничения на существующие модели дисковой аккреции. Предложено включить в список кандидатов в черные дыры ряд новых рентгеновских источников. Проведена локализация ряда источников и обнаружены несколько ранее неизвестных рентгеновских источников. В настоящее время их исследование в разных диапазонах энергий ведется ведущими обсерваториями мира. Разработан новый метод анализа рентгеновских изображений и исследования мелкомасштабной рентгеновской структуры скоплений галактик. Метод позволил под-. твердить существование областей повышенной яркости излучения в скоплении ЛІ367, что свидетельствует о концентрации горячего газа вблизи галактик или групп галактик скопления. В настоящее время метод активно используется при анализе изображений, полученных телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТ и телескопами спутника РОСЛТ. Область его применения далеко не исчерпывается рентгеновской астрономией, в частности, он представляет большой интерес для компьютерной томографии. Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на семинарах ИКИ РАН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Обшемосковском астрофизическом семинаре в ГЛИШ, Всесоюзном семинаре по рентгеновской и гамма-астрономии (Баку, 1987), семинаре по сверхновым звездам а Пущино (1992), астрофизическом семинаре, посвященном 90-летию Г.Ґамова, (С-Петербург, 1994), семинарах Центра космических полетов им. Годдарда (Гринбелт, США, 1993), Смитсонианской астрофизической обсерватории (Кембридж, США, 1994), Института астрофизики общества им. Макса Планка (Гар-шннг, Германия, 1995), на XX международной конференции по физике космических лучей (Москва, 1987), на симпозиумах и ассамблеях КОСПАР (София, 1987; Гаага, I99P; Вашингтон, 1992; Гамбург, 1994), на международных конференциях "Two Topics In X-ray Astronomy" (Болонья, Италия, 1989), "SN1987A and other Supernovae" (Map-циана Марина, Италия, 1990), "Gamma-Ray Line Astrophysics" (Париж, Франция, 1990), "Frontiers of X-Ray Astronomy" (Нагоя, Япония, 1991). "Nova Muscae 1991" (Лингби, Дания, 1991), "Compton Gamma-Ray Observatory" (Сант-Луис, США, 1992), "Recent Advances in High Energy Astrophysics" (Тулуза, Франция, 1992), "The Multi-Wavelength Approach to Gamma-Ray Astronomy" (Ле-Диаблере, Швейцария, 1993),
"The Evolution of X-Ray Binaries" (Мерилэнд, США, 1993), "Imaging in High Energy Astronomy" (Анакапри, Италия, 1994), "Roentgenstrahiung from the Universe" (Вурц-бург, Германия, 1995) и др.
Структура и объем. Диссертация общим объемом 235" страниц состоит из введения, одиннадцати ш.ав, объединенных в три части, заключения и списка литературы (всего 2/?2цаименов"-іип) и содержит S3> рисунка.