УДК524.354.4; 524.47
О ВОЗМОЖHОСТИ HАБЛЮДЕHИЯ ЭФФЕКТА ШАПИРО ДЛЯ ПУЛЬСАРОВ В ШАРОВЫХ СКОПЛЕHИЯХ
© 2007 г. Т. И. Ларченкова1*, А. А. Лутовинов2**
1Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Москва 2Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 13.02.2007 г.
Для пульсаров, расположенных в шаровых звездных скоплениях, предлагается использовать наблюдения релятивистской временной задержки их излучения в гравитационном поле массивного тела (эффект Шапиро), расположенного близко к лучу зрения, для обнаружения невидимых компактных объектов и их идентификации, а также для изучения распределения как видимого, так и невидимого вещества в шаровых скоплениях и разных компонентах Галактики. Получены зависимости вероятности событий от галактической широты и долготы источников для двух моделей распределения вещества в Галактике: "классической" модели Бакалла и Сонейры и более современной модели Денена и Бинни. На примере трех шаровых скоплений (M15, 47 Tuc, Terzan 5) показано, что отношения вероятности событий, обусловленных близкими к лучу зрения пролетами массивных объектов Галактики, к параметру f2 для пульсаров в шаровых скоплениях 47 Tuc и M15 сравнимы со значениями данной величины при близких пролетах массивных объектов самих скоплений и значительно выше в случае скопления Terzan 5. Получены оценки частоты таких событий. Определено число объектов вблизи луча зрения в направлении на пульсар, которые могут вызывать характерную для рассматриваемого эффекта модуляцию его МПИ, при этом впервые была учтена популяция коричневых карликов в диске Галактики, концентрация которых сравнима с концентрацией звезд диска.
Ключевые слова: пульсары, нейтронные звезды, шаровые скопления, эффект Шапиро.
ON THE OBSERVABILITY OF THE SHAPIRO EFFECT FOR PULSARS IN GLOBULAR CLUSTERS, by T. I. Larchenkova and A. A. Lutovinov. For pulsars in globular clusters, we suggest using the observations of the relativistic time delay of their emission in the gravitational field of a massive body (the Shapiro effect) located near the line of sight to detect and identify invisible compact objects and to study the distribution of both visible and invisible matter in globular clusters and different components of the Galaxy. We have derived the dependences of the event probability on Galactic latitude and longitude of sources for two model distributions of matter in the Galaxy: the "classical" Bahcall—Soneira model and the more recent Dehnen—Binney model. Using three globular clusters (M15, 47 Tuc, Terzan 5) as an example, we show that the ratios of the probability of the events due to the passages of massive Galactic objects close to the line of sight to the parameter f2 for pulsars in the globular clusters 47 Tuc and M 15 are comparable to those for close passages of massive objects in the clusters themselves and are considerably higher than those for the cluster Terzan 5. We have estimated the frequencies of such events. We have determined the number of objects near the line of sight toward the pulsar that can produce a modulation of its pulse arrival time typical of the effect under consideration; the population of brown dwarfs in the Galactic disk, whose number density is comparable to that of the disk stars, has been taken into account for the first time.
PACS numbers: 95.30.Sf; 97.60.Gb; 98.20.Gm
Key words: pulsars, neutron stars, globular clusters, Shapiro effect.
Электронный адрес: tanya@lukash.asc.rssi.ru Электронный адрес: aal@hea.iki.rssi.ru
ВВЕДЕНИЕ
Регистрация анизотропии реликтового излучения (WMAP) и исследование пространственного распределения галактик и их скоплений (SDSS-каталог) (Тегмарк и др., 2004) позволили получить наиболее вероятные значения важнейших космологических параметров, таких как плотность барионов, полную плотность вещества и величину космологической постоянной. На основании анализа наблюдательных данных было установлено, что наблюдаемое вещество составляет лишь несколько процентов от полной массы Вселенной и проблема наблюдения скрытого вещества и установления его природы является одной из ключевых в космологии. Из анализа кривых вращения спиральных галактик, полученных Рубин и др. (1980), оказалось, что масса галактик, необходимая для объяснения данных кривых, в десять раз превосходит суммарную массу всех известных компонент спиральных галактик (звезд, газа, пыли). Кроме того, Острайкер и др. (1974) показали, что диски галактик вообще оказываются нестабильными без присутствия массивного гало, состав которого неизвестен. Эти выводы оказываются справедливыми и для нашей Галактики; при этом полагают, что ее дисковая составляющая не содержит значительного количества темного вещества, а вот более 90% вещества гало не наблюдаемо (Куийкен, Гилмор, 1991; Руле, Мо-лерах, 1997). Это невидимое гало может состоять как из барионного, так и небарионного вещества. В первом случае скрытую массу гало могут составлять компактные массивные объекты (MACHOs), такие как коричневые карлики, первичные черные дыры, белые карлики, подобные Юпитеру планеты и т.д. (Карр, 1994). Во втором случае небарионное вещество может быть представлено слабо взаимодействующими массивными невидимыми частицами (WIMPs), также способными скучиваться в компактные объекты темной материи (Березинский и др., 2003).
Проблема обнаружения скрытого вещества существует и на более мелких масштабах по сравнению с Вселенной. Как было показано Хегги и Хутом (1996), половину массы шаровых звездных скоплений составляют маломассивные звезды и белые карлики, которые ненаблюдаемы из-за их малой светимости. В результате стратификации по массе тяжелые звезды имеют тенденцию опускаться к ядру скопления в отличие от популяции легких объектов. Следовательно, невидимую компоненту скопления можно ожидать обнаружить на его периферии. Наличие значительного количества невидимого вещества заставляет исследователей искать способы его регистрации.
Одним из таких способов поиска скрытой массы Галактики является использование характерной
переменности кривых блеска некоторых звезд в Большом и Малом Магеллановых Облаках (Па-чинский, 1986), т.е. поиск событий микролинзи-рования. Основными проблемами этого метода являются необходимость мониторинга миллионов звезд и тот факт, что вероятность обнаружения событий микролинзирования мала. Для поиска темных галактических объектов также обсуждалась возможность использования внегалактических оптических пульсаров (Шнайдер, 1990). Когда сигнал пульсара проходит вблизи массивного компактного объекта, его поток усиливается вследствие явления гравитационного линзирова-ния. Однако помимо усиления потока в этом случае будет наблюдаться и задержка сигнала во времени (Краусс, Смолл, 1991). Таким образом, наряду с эффектом гравитационного линзирова-ния, для обнаружения объектов темного вещества как барионного, так и небарионного происхождения можно использовать другой эффект Общей теории относительности, а именно релятивистское временное запаздывание сигнала пульсара в гравитационном поле массивного тела, что было предложено в работе Ларченковой и Дорошенко (1995). Релятивистская временная задержка распространения электромагнитного сигнала в статичном сферически-симметричном гравитационном поле точечной массы носит название эффекта Шапиро (Шапиро, 1964). Обобщение формулы эффекта Шапиро для случая распространения света в переменном поле произвольно движущегося тела было получено в работе Копейкина и Шеффе-ра (1999).
При хронометрировании пульсара, электромагнитное излучение которого распространяется в гравитационном поле массивного тела, будет наблюдаться характерная модуляция остаточных уклонений моментов прихода импульсов (МПИ) во времени. Анализ наблюдательных данных многолетнего хронометрирования пульсара PSR В0525+21, проведенный в работе Ларченковой и Дорошенко (1995), позволил сделать вывод о том, что полученное ими поведение остаточных уклонений МПИ данного пульсара хорошо объясняется эффектом Шапиро. Это, в свою очередь, позволило определить параметры тяготеющего тела. Позднее Вексом и др. (1996) была рассмотрена возможность использования пульсаров, расположенных за галактическим центром, в качестве теста для изучения распределения массы в галактическом балдже. Эффект Шапиро, возникающий в результате пролета звезды близко к лучу зрения на пульсар, предлагался в качестве возможной причины сбоев периода пульсаров (глитчей) (Сажин, 1986).
Обнаружение значительного числа пульсаров в шаровых скоплениях 47 Тис, Тегеап 5, М15 (Фрейер, 2006) делают интересным обсуждение
вопроса об их использовании для изучения невидимого вещества как в самих шаровых скоплениях, так и в Галактике вдоль луча зрения в направлении этих скоплений. Проблема низкочастотного шума хронометрирования пульсаров в шаровых звездных скоплениях, вызываемого эффектом Шапиро и обусловленного случайными пролетами звезд скопления вблизи луча зрения на пульсар, рассмотрена в работе Ларченковой и Копейкина (2006). Там же получены спектральные характеристики данного шумового процесса, в частности наклон спектра мощности, который позволит в наблюдательных данных отличить шум, обусловленный стохастическим эффектом Шапиро, от низкочастотных шумов хронометрирования другой природы. Однако остается неясным вопрос о вероятности обнаружения отдельных событий релятивистского временного запаздывания сигналов пульсаров в шаровых скоплениях, вызываемых близкими к лучу зрения пролетами как видимых, так и темных объектов самого шарового скопления и компактных объектов Галактики.
Настоящая работа посвящена изучению возможности наблюдения и регистрации единичных событий релятивистского временного запаздывания сигналов пульсаров, находящихся в шаровых звездных скоплениях. В следующем разделе сделан краткий обзор результатов усиления и углового расщепления сигнала для случая линзирования точечной массой и, в приближении гравитационной линзы, получены численные оценки временной задержки импульсов пульсара в гравитационном поле этой массы. Далее приведены краткие св
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.