ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 41, № 10, с. 595-608
QPO И LFN В СПЕКТРЕ МОЩНОСТИ БЫСТРОЙ ПЕРЕМЕННОСТИ РЕНТГЕНОВСКОЙ НОВОЙ SWIFT J 174510.8-262411
© 2015 г. А. В. Просветов*, С. А. Гребенев
Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 25.05.2015 г.
Приведены результаты исследования обсерваториями INTEGRAL, SWIFT и VLA рентгеновской новой SWIFT J174510.8-262411 в сентябре-октябре 2012 г. на ранней стадии вспышки. Основное внимание уделено анализу спектра мощности флуктуаций рентгеновского излучения источника, в котором обнаружен мощный пик квазипериодических осцилляций (QPO). Прослежена эволюция параметров пика QPO со временем, выявлена корреляция между частотой QPO, параметрами низкочастотного шума (LFN), потоками рентгеновского и радиоизлучения, а также степенью поляризации радиоизлучения. Показано изменение фрактальных свойств кривых блеска источника в стандартном рентгеновском диапазоне <10 кэВ в зависимости от частоты пика QPO. В жестком рентгеновском диапазоне 20—80 кэВ кривые блеска источника фрактальных свойств не имели, несмотря на большую по сравнению со стандартным диапазоном амплитуду QPO и LFN. Результаты наблюдений могут быть объяснены в предположении, что рентгеновское излучение источника формируется в облаке высокотемпературной плазмы, окружающей черную дыру, а квазипериодические осцилляции образуются на его границе — в месте соприкосновения с аккреционным диском, их частота отражает кеплеровское движение вещества на соответствующем радиусе.
Ключевые слова: рентгеновские источники, транзиенты, черные дыры, спектральные состояния, квазипериодические осцилляции, дисковая аккреция.
DOI: 10.7868/Б032001081510006Х
ВВЕДЕНИЕ
Считается, что быстрые (на частотах >10_3 Гц) флуктуации рентгеновского излучения аккрецирующих черных дыр несут важную информацию о физических условиях и процессах в области их основного энерговыделения, о геометрии и структуре этой области, эффективности преобразования в ней энергии в излучение, особенностях аккреционного течения. Сложный, зависящий от спектрального состояния источника спектр мощности быстрых флуктуаций c ярко выраженной компонентой низкочастотного ("красного") шума (LFN) и, часто, с одним или несколькими пиками квазипериодических осцилляций (QPO), казалось бы, подтверждает существование и богатство такой информации. Низкочастотный шум имеет плоский спектр на частотах / < /ьг (~1 Гц) и падает степенным образом при / ^ /ьг, частота излома /ьт показывает явную корреляцию с частотой /^ ведущей гармоники QPO. Ясно, что LFN и QPO — взаимосвязанные явления. К сожалению, понять, как они образуются, и извлечь скрытую в спектре
Электронный адрес: prav@iki.rssi.ru
мощности информацию пока не удалось никому. Предложено несколько моделей формирования таких спектров или, скорее, их отдельных компонент (см., например, Вихлинин и др., 1994; Любарский, 1997; Стелла, Виетри, 1998; Вагонер и др., 2001; Титарчук и др., 2007; Инграм, 2009). Ни одну из них нельзя признать удовлетворительной, ни одна не дает полной и исчерпывающей картины формирования спектров. Именно поэтому не прекращаются исследования спектров мощности отдельных источников, попытки, используя новые подходы и методы анализа, увидеть в них что-то, ускользнувшее от других исследователей и способное пролить свет на происхождение LFN и QPO. В частности, в нашей предыдущей работе (Просветов, Гребенев, 2014) было проведено измерение фрактальной размерности кривых блеска известного рекуррентного рентгеновского транзиента, кандидата в черные дыры ОХ 339-4 и показано, что она сильно зависит от присутствия или отсутствия в его спектре мощности пиков QPO; более того — была выявлена связь между величиной фрактальной размерности и частотой пика QPO.
В данной работе исследуется спектр мощности рентгеновской новой SWIFT J174510.8-262411 (далее SW J1745-26) и его эволюция на ранней стадии вспышки 2012 г. — вблизи максимума блеска. Рентгеновские новые — это маломассивные двойные системы, обычно находящиеся в "выключенном" состоянии, но иногда ярко вспыхивающие в рентгеновских лучах из-за нестационарной аккреции на черную дыру (или нейтронную звезду со слабым магнитным полем). Так, рентгеновский поток от новой SW J1745-26 за считанные дни после ее появления на небе (Вовк и др., 2012) достиг уровня 1 Краб (от менее 0.75 мКраб, 3а-предел, см. Гребенев, Сюняев, 2012), затем в течение года наблюдалось медленное затухание источника (см. кривую блеска в Гребенев и др., 2014). Замечательно, что в процессе разгорания, а затем затухания источник за достаточно короткое время последовательно проходит череду всех своих спектральных состояний, зависящих от темпа аккреции, предоставляя нам возможность изучения его наблюдательных проявлений при разных режимах аккреции. В данной работе нас интересовал прежде всего переход от "жесткого" ("низкого") состояния источника, при котором в его спектре вплоть до ^100 кэВ доминирует степенная компонента излучения, к "мягкому" ("высокому") состоянию, при котором основной компонентой в спектре становится чернотельное излучение стандартного аккреционного диска. Наблюдения других источников показывают, что именно в это время (а также при обратном таком же переходе) в их спектрах мощности появляются пики QPO. В случае SW J1745-26 такое переходное состояние пришлось на период максимальной рентгеновской яркости источника. По сообщению Томсика и др. (2012) именно в это время (18 сентября 2012 г.) прибором XRT обсерватории SWIFT наблюдался пик QPO потока от этого источника на энергиях 0.3—10 кэВ.
Яркость вспышки источника в рентгеновском диапазоне, а также оперативно организованные сразу после ее открытия интенсивные наблюдения обсерваторией INTEGRAL предоставили нам возможность подробно проследить эволюцию со временем спектра мощности источника, параметров QPO и LFN. Мы также продолжили для данного источника исследование фрактальных свойств рентгеновской кривой его блеска и зависимость ее фрактальной размерности от параметров QPO.
ПРИБОРЫ И АНАЛИЗ ДАННЫХ
Рентгеновские наблюдения источника, на данных которых основана данная работа, были выполнены астрофизической обсерваторией INTEGRAL в период с 18 сентября по 4 октября 2012 г. (орбиты с 1213 по 1218). Использовались данные
телескопа IBIS, чувствительного в диапазоне 20— 200 кэВ, и данные телескопа JEM-X, чувствительного в диапазоне 4—30 кэВ. Оба телескопа — широкоугольные, поэтому всегда при наблюдении SW J1745-26 в их поле зрения попадали другие рентгеновские объекты. Принцип апертурного кодирования, использующийся в обоих телескопах, позволял корректно восстанавливать изображения неба в поле зрения и измерять средние потоки и спектры излучения отдельных источников (хотя ошибка измерений все равно определялась полным числом зарегистрированных детектором фотонов — от всех источников и фона). При исследовании быстрой переменности источника принцип апер-турного кодирования помогает плохо, т.к. предполагает усреднение потока по большому числу фотонов. Использовался другой подход, основанный на учете фотонов лишь от пикселов детектора, достаточно сильно освещенных данным источником — в соответствии с матрицей PIF (Pixel Illuminated Fraction). Для извлечения кривых блеска источника SW J1745-26 с помощью данной матрицы использовались программы evts_extract (для JEM-X) и ii_light (для IBIS) из стандартного пакета OSA 10.0 обработки данных обсерватории INTEGRAL1 . Такой подход позволяет извлекать кривые блеска с временным разрешением вплоть до 0.1 с для достаточно ярких источников. К счастью, источник SW J1745-26 во время данных измерений был исключительно ярким.
Спектры излучения источника по данным телескопа IBIS/ISGRI были получены с помощью программ, разработанных для него в ИКИ РАН (например, Ревнивцев и др., 2004; Кривонос и др., 2010). Собственно, спектральный анализ был проведен с помощью пакета программ NASA/HEASARC/XSPEC (Арнауд и др., 1996).
В работе используются некоторые результаты наблюдений источника SWJ1745-26 рентгеновским телескопом XRT (Барроус и др., 2005) обсерватории SWIFT (Джерелс и др., 2004) и радиообсерваторией VLA(Курран и др., 2013). Отметим, что в отличие от телескопов IBIS и JEM-X обсерватории INTEGRAL XRT оснащен зеркалами косого падения и является телескопом, фокусирующим рентгеновские фотоны от источника в диапазоне 0.2-10 кэВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Даты используемых отдельных наблюдений рентгеновской новой SW J1745-26 обсерваторией INTEGRAL (именуемые дальше сеансами наблюдений), а также полная экспозиция для каждого
1 http://www.isdc.unige.ch/integral/analysis
Таблица 1. Наблюдения источника SW J1745-26 обсерваторией INTEGRAL на начальном этапе вспышки
Сеанс Дата и время® Экспозиция6 JEM-X® IBISr
1 18/09/2012 17:35 114012 494 ±3 1009 ± 1
2 20/09/2012 01:15 114012 511 ±3 875 ± 1
3 21/09/2012 17:22 214616 604 ±3 770 ± 1
4 24/09/2012 17:08 144147 632 ±3 610 ± 1
5 28/09/2012 09:29 136270 647 ±3 498 ± 1
6 30/09/2012 16:42 490611 609 ±2 467 ± 1
а Дата и время (иТ) начала сеанса наблюдения. б Экспозиция (с).
в Средний поток ^х в диапазоне 20—80 кэВ (мКраб). г Средний поток ^х в диапазоне 3—10 кэВ (мКраб).
Таблица 2. Параметры спектров мощности источника SW J1745-26 по данным телескопа IBIS/ISGRI обсерватории INTEGRAL в диапазоне 20—80 кэВ
Сеанс /qpo Т7>б qpo /br 7ТТ lfn
Гц % Гц %
1 0.30 ±0.01 20.4 ± 1.0 0.15 ± 0.01 19.5 ± 1.0
2 0.49 ±0.02 21.6 ± 1.0 0.12 ± 0.01 22.3 ± 0.9
3 0.78 ±0.02 21.4 ± 1.0 0.18 ± 0.01 23.5 ± 0.9
4 1.32 ±0.10 23.0 ± 1.6 0.49 ±0.03 22.8 ± 1.1
5 1.97 ± 0.17 18.8 ±2.2 0.71 ±0.08 22.4 ± 2.1
6 2.30 ±0.23 18.6 ±2.0 0.82 ±0.06 24.1 ± 1.5
но квазиэкспоненциально уменьшаться. За время обсуждаемых наблюдений поток уменьшился в раза. Поток в мягком рентгеновском диапазоне 3—10 кэВ рос вплоть до 28 сентября, его уменьшение было зарегистрировано лишь в последнем шестом сеансе.
Спектры фурье-мощности
Анализ данных показывает (см. рис. 1), что в обсуждаемый период в спектре мощности источника действительно присутствовали сильные пики дРО, частота, ширина и амплитуда которых
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.