УДК 524.7-7
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СПЕКТР ПОЛНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЛАКТИКИ M31
© 2014 г. М. Г. Ревнивцев1,2*, Р. А. Сюняев1,2, Р. А. Кривонос3,1, С. С. Цыганков4,5,1, С. В. Мольков1
1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 2Институт Астрофизики общества имени Макса Планка, Гархинг, Германия 3Лаборатория космических наук, Калифорнийский Университет, Беркли, США 4Финский центр астрономии с ЕЮО (FINCA), Университет Турку, Финляндия 5Отдел астрономии, Физический факультет, Университет Оулу, Финляндия
Поступила в редакцию 26.08.2013 г.
В работе представлены результаты измерений полного потока рентгеновского излучения галактики Туманность Андромеды (М31) в диапазоне 3—100 кэВ по данным космических экспериментов RXTE/PCA, ИНТЕГРАЛ/ISGRI и SWIFT/BAT. Показано, что суммарное излучение галактики имеет многокомпонентный спектр, основные характеристики которого задаются двойными системами, излучающими в оптически толстом и оптически тонком режимах. Светимость галактики на энергиях 20—100 кэВ дает около 6% полной светимости галактики в диапазоне 3—100 кэВ. Излучательная способность звездного населения галактики М31 в диапазоне 2—20 кэВ Ь2-20кэВ ~ 1-1 х 1029 эрг/с/М0,в диапазоне 20—100 кэВ ¿20-100 кэВ ~ 8 х 1027 эрг/с/Mg. Отмечено, что ввиду того, что при высоких све-тимостях маломассивные рентгеновские двойные системы переходят в мягкое состояние с малой долей жесткого рентгеновского излучения, обнаружение индивидуальных источников жесткого рентгеновского излучения в галактике М31 требует в десятки раз лучшей чувствительности (до 10"13 эрг/с/см2), чем нужно для обнаружения суммарного жесткого рентгеновского излучения всей галактики. Учет вклада жесткой компоненты спектра галактики изменяет эффективную комптоновскую температуру излучения галактики приблизительно в 2 раза, от ~1.1 кэВ до ~2.1 кэВ.
Ключевые слова: рентгеновские источники.
DOI: 10.7868/80320010814010057
ВВЕДЕНИЕ
Галактики являются источниками электромагнитного излучения в очень широком диапазоне длин волн/энергий фотонов. Даже при отсутствии в центре галактики активного ядра (аккрецирующей сверхмассивной черной дыры) галактики создают излучение от радиоволн, возникающих при криволинейном движении ультрарелятивистских электронов космических лучей, инфракрасных лучей пыли, оптических и ультрафиолетовых лучей звезд различных спектральных классов до рентгеновского излучения двойных систем с релятивистскими объектами (черными дырами, нейтронными звездами) и гамма лучей, возникающих при распаде мезонов, образованных в результате неупругих взаимодействий протонов космических лучей с
Электронный адрес: revnivtsev@iki.rssi.ru
межзвездной средой. Однако из-за малого потока фотонов от далеких галактик, большая часть наших знаний об их суммарном энергетическом спектре основывается на экстраполяции знаний об излучении нашей Галактики.
Достижениями последних лет являются систематические обзоры неба в различных участках электромагнитного спектра, которые позволяют измерять излучение далеких галактик в радио, ИК, оптическом, УФ и мягком рентгеновском диапазонах (до энергии около 8—10 кэВ, до которых работают современные рентгеновские телескопы косого падения, такие как CHANDRA, XMM). В жестком рентгеновском диапазоне (>10—15 кэВ) современный уровень чувствительности астрофизических обсерваторий позволяет измерить излучение галактик, обычно если их светимость превышает ^смооюв > 1041_42 эрг/с, что возможно
лишь когда в излучении галактики преобладает вклад активного галактического ядра (см., например, обзоры неба Кривонос и др., 2010; Баумгарт-нер и др., 2013).
В то же время мы знаем, что даже в отсутствие активности ядра, галактики могут иметь заметное рентгеновское излучение, созданное звездным населением (см., например, Фаббиано, 1989). Рентгеновское излучение галактики может оказывать влияние на состояние окологалактической/межгалактической среды, в особенности на больших красных смещениях (см., например, Джастэм, Шавински, 2012; Пауэр и др., 2013; Фра-гос и др., 2013) и, следовательно, знание суммарного излучения галактики в жестком рентгеновском диапазоне является важным ингредиентом нашего понимания формирования и эволюции галактик во Вселенной.
Для того чтобы получить оценку удельной (на единицу звездной массы) излучательной способности звездного населения галактики с невысоким темпом звездообразования, мы используем результаты измерений потока от ближайшей к нам массивной галактики — М31 Туманность Андромеды.
Галактика М31 наблюдалась практически всеми рентгеновскими обсерваториями, начиная с 1970-х годов. Однако ввиду большой протяженности галактики М31 (около 20—30 угл. мин, Джаррет и др., 2003) ее полное рентгеновское излучение могло быть измерено только при помощи нефоку-сирующих инструментов, имеющих большие поля зрения. Первые измерения яркости галактики М31 в рентгеновском диапазоне были получены при помощи обсерваторий UHURU ( 1970—1973) — измерен поток 2.6 мКраб в диапазоне 2—6 кэВ (Форман и др., 1978). Затем излучение галактики М31 измерялось обсерваторией ArielV (2.0 мКраб в диапазоне 2-18 кэВ, МакХарди и др., 1981), HEAO1 (2.5 мКраб в диапазоне 0.5-25 кэВ, Вуд и др., 1984), по данным, полученным в ходе перенаведений обсерватории EXOSAT (2.9 мКраб в диапазоне 2-8 кэВ, Рэйнолдс и др., 1999), RXTE (Рэйнолдс и др., 1999). Одно из наиболее подробных измерений потока и спектра галактики М31, сделанных кол-лимированными спектрометрами, было проведено при помощи обсерватории GINGA (Макишима и др., 1989).
Галактика M31 (Туманность Андромеды)
Недавние оценки расстояния до этой галактики дают значения 780-790 кпк (Браун и др., 2004; МакКонахи и др., 2005). Звездная масса галактики была оценена нами по ее суммарной яркости в инфракрасном К-диапазоне 2.2 мкм, используя результаты наблюдений Large Galaxy Atlas обзора
неба 2МЛ88 (Джаррет и др., 2003), предполагая, что отношение масса-светимость для звезд в этой галактике М* /Ьк = 0.56 М©/Ь© (Гильфанов, 2004). Полная масса звезд в галактике М31 в пределах 1 градуса (~13.6 кпк) вокруг галактического центра составляет М*,м31 = 6.1 х 1010 М©.
НАБЛЮДЕНИЯ
В настоящей работе мы использовали данные, полученные спектрометром РСА (Ягода и др., 2006) обсерватории РХТЕ (Брадт и др., 1993) во время перенаведений на различные объекты. Спектрометр РСА собирает рентгеновское излучение с кругового поля зрения радиусом градус (радиус на нулевом пропускании коллиматора). Поиск в полном архиве данных наблюдений РХТЕ за период 1996—2012 гг. показал, что центр поля зрения обсерватории (если считать положение, усредненное по 16 секундным интервалам) находился на расстоянии менее 1 градуса от центра галактики М31 в течение около 512 с. Основное количество наблюдений этой области неба было проведено с включенными двумя (из пяти) модулей спектрометра РСА. В пересчете на площадь одного модуля спектрометра эффективная экспозиция наблюдений составила 1088 секунд.
Данные спектрометра РСА были проанализированы при помощи стандартных программ из пакета НЕАБОРТ. Инструментальный фон детектора моделировался при помощи модели СМРАШТ (Ягода и др., 2006). Ввиду того, что качество модели инструментального фона для верхнего слоя анодов спектрометра РСА выше, чем для всех остальных слоев, мы в нашем дальнейшем анализе использовали только данные с верхнего слоя детектора. Для спектров, полученных в разное время (в разные года и в разные эпохи высокого напряжения газового спектрометра РСА), были построены матрицы отклика при помощи программы рсагБр у11.7. При последующем усреднении измерений матрицы отклика были также усреднены соответствующим образом.
Изображение галактики М31 (в инфракрасном К-диапазоне) с треками прохождения поля зрения спектрометра РСА приведено на рис. 1. Суммарный спектр излучения галактики М31 был получен путем сложения экспозиций с различными отклонениями оси спектрометра от центра галактики. Для того чтобы поправить измеренные потоки на функцию пропускания коллиматора, мы предположили, что поверхностная яркость галактики М31 в рентгеновском диапазоне (3—20 кэВ) прямо пропорциональна поверхностной плотности звезд и, следовательно, прямо пропорциональна поверхностной яркости галактики в К-диапазоне.
13 000 ^12 * / мям, 000 11 000 11 000 10 : ; :J 000 00 8.00 0
г • *:. • * • ; •. rr^Ss « » ■■ * * \ % \
1 1 г • ■*# * * • jr» • * * • > * î-• • •• • X * i • • * \ \
t * « 0 i 4"' • • * 0 •• % a • I • 1 * I» О
1 1 1 \ * • * • \ « V • V ** f » # • m * ? 7
\ • V \ \ « * ¿IL—-" * ■ f tg *• È /
ч ч * .....«Jfl * • • * : « * • * • «* 0 У
« »
Рис. 1. Изображение галактики М31 в К-диапазоне (2.2 мкм) по данным обзора 2MASS. Точки показывают положения центра поля зрения спектрометра PCA при прохождении области галактики М31. Сплошной окружностью показана граница (на нуле пропускания) поля зрения RXTE/PCA. Пунктирная окружность показывает размер 2 градуса вокруг галактики М31.
ШИРОКОПОЛОСНЫМ СПЕКТР ГАЛАКТИКИ M31
Суммарный спектр галактики М31 по данным RXTE/PCA, поправленный на функцию пропускания коллиматора, приведен на рис. 2. Полный поток излучения галактики в диапазоне 2—20 кэВ составляет (9.1 ± 0.9) х 10"11 эрг/с/с м2. Отметим, что поток в диапазоне 2—20 кэВ, полученный нами при помощи RXTE/PCA, хорошо согласуется с потоком, измеренным обсерваторией GINGA (Ма-кишима и др., 1989). Предполагая расстояние до источника 780 кпк, этот поток соответствует светимости L2-20кэВ ~ 6.6 х 1039 эрг/с.
Данные на энергии ниже 8 кэВ дополнены измерениями спектрометра ME обсерватории EXOSAT, полученными 1 июля 1983 г. (данные предоставлены архивом обсерваторий HEASARC). Нормировка спектра подобрана так, чтобы поток, измеряемый EXOSAT/ME в диапазоне энергий, пересекающимся с диапазоном RXTE/PCA (3—8 кэВ), был одинаков.
Для дополнения информации о спектре полного излучения галактики М31 в области жесткого рентгеновского диапазона (>15—20 кэВ) мы используем результаты обзора неба (Баумгартнер и др., 2013) телескопом BAT (Бартелми и др., 2005) обсерватории SWIFT и рез
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.