ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПЕРЕМЕННОСТИ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЛЬСАРА LMC X-4
© 2015 г. С. В. Мольков1*, А. А. Лутовинов1, М. Фаланга2
1Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 2Международный институт космических исследований, Берн, Швейцария Поступила в редакцию 22.05.2015 г.
Исследована временная переменность рентгеновского потока, регистрируемого от массивной двойной системы ЬМС Х-4 на временных масштабах от нескольких десятков дней до десятков лет, т.е. значительно превышающих орбитальный период (^1.408 дня). В частности, исследован 30-дневный цикл модуляции излучения от источника (суперорбитальная или прецессионная переменность) и уточнены орбитальный период и его первая производная. Показано, что прецессионный период на временном интервале 1989—2015 гг. находится вблизи равновесного значения Р5ир = 30.370 дня, а наблюдаемые исторические изменения фазы данной переменности могут быть интерпретированы в рамках модели "красного шума". Получен аналитический закон, по которому прецессионная фаза может быть определена с точностью до 5% на всем рассматриваемом интервале времени. Используя архивные данные нескольких астрофизических обсерваторий, мы нашли 43 рентгеновских затмения в системе ЬМС Х-4, которые в совокупности с девятью ранее упоминавшимися в литературе позволили определить параметры модели, описывающей эволюцию орбитального периода. В результате показано, что ускорение орбитального вращения Р0Гь/Р0Гь = (1.21 ± 0.07) х 10~6 год-1 выше, чем считалось ранее.
Ключевые слова: рентгеновские пульсары, аккреция. DOI: 10.7868/80320010815100046
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновская двойная система ЬМС Х-4 расположена в Большом Магеллановом Облаке (БМО) — одной из ближайших к нам галактик (расстояние до нее составляет около 50 кпк) — и была открыта в рентгеновских лучах космической обсерваторией ииини (Джаккони и др., 1972). Позднее оптическая звезда ОВ класса 14-й величины, расположенная в области рентгеновской локализации источника, была предложена в качестве нормального компаньона к релятивистскому объекту (Сандулик, Филип, 1977). Фотометрические и спектроскопические исследования этой звезды в оптическом диапазоне (Шевалье, Илловайски, 1977; Хатчингс и др., 1978) окончательно доказали, что система является двойной, и по модуляции ее оптического излучения был определен орбитальный период Р0Гь ^ 1.408 дня. Этот результат подтвержден и в рентгеновском диапазоне энергий по наблюдению затмений (Ли и др., 1978; Уайт, 1978), что свидетельствует о большом наклонении двойной системы.
Электронный адрес: molkov@iki.rssi.ru
Наблюдения показывают, что многие рентгеновские источники демонстрируют долговременную переменность в излучении на масштабах времени от нескольких десятков дней до нескольких лет, однако LMC X-4 является одним из немногих, чья долговременная переменность носит явно выраженную периодичность. Другими объектами, демонстрирующими похожее поведение, являются рентгеновские пульсары Her X-1 и SMC X-1 и микроквазар SS433. Впервые вариации регистрируемого от LMC X-4 потока с периодом Psup ~ ~ 30.5 дня (в англоязычной литературе переменность получила название "суперорбитальная", мы далее по тексту будем придерживаться названия "прецессионная" или 30-дневная модуляция) были обнаружены по данным инструментов обсерватории HEAO1 (Лэнг и др., 1981). В качестве объяснения 30-дневной модуляции предложено несколько моделей, главными из которых являются прецессия аккреционного диска и излучение деформированного аккреционного диска (см., например, Котце, Чарли, 2012, для краткого обзора). Помимо долговременных периодических вариаций излучения от двойной системы в рентгеновском диапа-
зоне энергий также наблюдаются апериодические интенсивные серии коротких всплесков (длительностью по нескольку десятков секунд каждый), длящиеся около часа и с частотой возникновения примерно раз в несколько суток (см., например, Епштейн и др., 1977; Левин и др., 2000; Мун и др., 2001). Именно во время одной из таких серий всплесковой активности от источника впервые было обнаружено когерентное пульсирующее излучение с периодом Pspin ~ 13.5 с (Келли и др., 1983). Впоследствии пульсации с этим периодом, возникающие из-за собственного вращения компактного объекта, были обнаружены и во время "спокойного" состояния, в результате чего LMC X-4 отнесен к классу рентгеновских пульсаров.
В работе Левина и др. (1991) по данным обсерватории GINGA показано, что орбитальный период в системе LMC X-4 уменьшается. Последующие наблюдения другими инструментами и обсерваториями подтвердили этот вывод и позволили определить скорость такого изменения (Сафи-Харб и др., 1996; Вуидр., 1996; Левин и др., 2000; Фаланга и др., 2015).
В настоящей работе мы проанализировали все доступные данные наблюдений источника LMC X-4 космическими обсерваториями и инструментами BATSE, RXTE, MAXI, SWIFT, ИНТЕГРАЛ и XMM-Newton и получили в общей сложности квазинепрерывный временной ряд длительностью около 25 лет (1991—2015 гг.). Используя эти данные, а также исторические данные из указанных выше работ, мы определили параметры эволюции орбитального периода и уточнили скорость его изменения. Кроме этого, такой большой массив наблюдательных данных позволил нам детально исследовать прецессионную переменность.
НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ ДАННЫХ
Для исследования 30-дневной модуляции потока от системы LMC X-4 мы использовали все доступные данные космических широкоугольных рентгеновских телескопов, ведущих квазинепрерывный мониторинг (источник почти всегда наблюдается ежедневно) всей небесной сферы.
Для нахождения параметров прецессионной переменности мы использовали данные телескопа BAT (Burst Alert Telescope, Кримм и др., 2013) обсерватории SWIFT (Джерелс и др., 2004), полученные в диапазоне энергий 15— 50 кэВ и находящиеся в открытом доступе (http:// swift.gsfc.nasa.gov/results/transients/LMCX-4/). Используемые кривые блеска имеют временное разрешение около 90 мин и охватывают временной интервал с февраля 2005 г. по май 2015 г. Чувствительности телескопа достаточно, чтобы
по этим данным нам удалось определить положение каждого максимума "волны" 30-дневной модуляции потока на временной шкале за все 10 лет. Для этого мы аппроксимировали кривую блеска в районе максимумов функциями Гаусса
C(t) = Ne 2<т2 ; ограниченными интервалом времени Що - 10, Тгфо + 10] дней, где Тгфо -положение г-го максимума. Таким образом, мы нашли вектор времен ТФо = [Т10 ,Т20,..., Т203] максимумов 30-дневного цикла с соответствующими доверительными интервалами (типичное значение ~0.2 дня, см. табл. 1). На рис. 1 показано, что кривая блеска адекватно аппроксимируется полученными гаутеианами в районе максимумов на произвольно взятом интервале времени.
Для проверки применимости решения для прецессионной модуляции, полученного в рентгеновском диапазоне 15-50 кэВ, к измерениям в мягкой области рентгеновского спектра (2-20 кэВ), мы использовали данные японского монитора всего неба MAXI (Мацуока и др., 2009), установленного на Японском экспериментальном модуле Международной космической станции. Монитор наблюдает LMC X-4 с августа 2009 г. и, таким образом, позволяет получить независимый временной ряд данных, полностью пересекающийся по времени с данными телескопа BAT/Swift. Данные MAXI находятся в открытом доступе по адресу http://maxi.riken.jp/top/.
Мы также ретроспективно применили полученную модель 30-дневной модуляции к данным мониторинговых наблюдений системы LMC X-4 в рентгеновском диапазоне энергий 20-70 кэВ, полученным в период с июня 1991 г. по июнь 2000 г. телескопом BATSE обсерватории Compton-GRO (Джерелс и др., 1993) и к данным в диапазоне энергий 2-12 кэВ, полученным в период с января 1996 г. по декабрь 2011 г. монитором всего неба ASM (Левин и др., 1996), установленном на борту обсерватории RXTE (Брадт и др., 1993).
Для поиска рентгеновских затмений, связанных с орбитальным движением, мы использовали все открытые данные телескопа IBIS (Убертини и др., 2003) обсерватории гамма-лучей ИНТЕГРАЛ (Винклер и др., 2003), пропорционального счетчика PCA (Яхода и др., 2006) обсерватори RXTE и камеры EPIC (Стредер и др., 2001) орбитальной обсерватории XMM-Newton.
Анализ данных телескопа IBIS обсерватории ИНТЕГРАЛ осуществлялся на основе алгоритма сбалансированной кросс-корреляции (см. описание в работах Кривоноса и др., 2010; Чуразова и др., 2014).
SWIFT/BAT
Time, MJD
Рис. 1. Пример аппроксимации кривой блеска рентгеновского пульсара LMC X-4 последовательностью гауссиан вблизи максимумов 30-дневного цикла (сплошная линия). Кривая блеска получена в диапазоне энергий 15—50 кэВ по данным телескопа BAT обсерватории SWIFT.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Как отмечено выше, в настоящей работе мы рассматриваем вопросы, связанные с долговременной переменностью рентгеновского потока от источника ЬМС Х-4, поэтому полученные результаты разделены на две части — связанные с прецессионным и орбитальным движениями.
Прецессионная переменность
Исследования долговременной переменности в некоторых двойных рентгеновских системах предпринимались и ранее (см., например, Кларксон и др., 2003; Котце, Чарли, 2012, и ссылки там). Установлено, что среди всех источников, демонстрирующих такой вид переменности, ЬМС Х-4 имеет наиболее стабильный прецессионный период. Однако все результаты для него были получены в условиях ограниченной статистики — несмотря на то что светимость источника очень высока (~1038 эрг с-1), он удален от нас на расстояние в 50 кпк и поток от него "у Земли" не превышает нескольких мКраб в мягких рентгеновских лучах. Поэтому не было возможности определить время каждого максимума 30-дневного цикла и для
определения прецессионных эфемерид применялся "метод наложения эпох", когда для улучшения статистики усредняется несколько циклов, что значительно уменьшает число степеней свободы (независимых измерений). Кроме того, в указанных работах использовались данные мягкой области рентгеновского спектра 2—12 кэВ, в то время как максимум регистрируемого от LMC X-4 излучения приходится на энергии >20 кэВ (Цыганков, Луто-винов, 2005).
Как
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.