УДК 524.354.4
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕСТКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЯРКИХ РЕНТГЕНОВСКИХ ПУЛЬСАРОВ ПО ДАННЫМ ОБСЕРВАТОРИИ ИНТЕГРАЛ
© 2009 г. А. А. Лутовинов1*, С. С. Цыганков1-2
1Институт космических исследований РАН, Москва 2Институт астрофизики Общества им. Макса Планка, Гархинг, Германия Поступила в редакцию 17.06.2008 г.
Представлен обзор результатов временного анализа наблюдений десяти ярких рентгеновских пульсаров (поток > 100 мКраб в диапазоне энергий 20—100 кэВ), попадавших в поле зрения обсерватории ИНТЕГРАЛ с 2003 г. по 2007 г. Исследована зависимость профиля импульса от энергии и собственной светимости источников; особое внимание уделялось поиску изменений профиля импульса вблизи циклотронной частоты. Впервые проведено подробное исследование зависимости доли пульсирующего излучения рентгеновских пульсаров от их светимости и энергетического диапазона.
Ключевые слова: рентгеновские пульсары, нейтронные звезды, временной анализ.
TIMING CHARACTERISTICS OF THE HARD X-RAY EMISSION FROM BRIGHT X-RAY PULSARS BASED ON INTEGRAL DATA, by A. A. Lutovinov and S. S. Tsygankov. We present an overview of the results of a timing analysis of our observations for ten bright X-ray pulsars (with fluxes > 100 mCrab in the 20—100 keV energy band) that fell within the INTEGRAL field of view from 2003 to 2007. The dependence of the pulse profile on the source energy and intrinsic luminosity has been investigated; particular attention has been paid to searching for changes in the pulse profile near the cyclotron frequency. The dependence of the pulsed fraction for X-ray pulsars on their luminosity and energy band has been studied in detail for the first time.
PACS numbers: 97.80.Ip; 97.60.Id; 95.75.Wx
Key words: X-ray pulsars, neutron stars, timing analysis.
ВВЕДЕНИЕ
Согласно общепринятой теории аккреции на быстровращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, вещество со звезды-компаньона в процессе падения тормозится на альвеновской поверхности давлением магнитного поля, вмораживается в него и вдоль силовых линий падает в узкие кольцевые области на магнитных полюсах нейтронной звезды, формируя аккреционные колонки и выделяя при этом свою гравитационную энергию в рентгеновском диапазоне длин волн. В таком случае при вращении пульсара вокруг своей оси наблюдатель должен регистрировать на кривой блеска импульсы, различающиеся по форме и наличию особенностей в зависимости от конкретных физических и геометрических условий
Электронный адрес: aal@iki.rssi.ru
как вблизи поверхности нейтронной звезды, так и на пути распространения сигнала. Причем доля пульсирующего излучения должна зависеть от конфигурации излучающих областей, положения диполя относительно наблюдателя, энергии и т.д.
Как было отмечено еще в ранних работах на эту тему (см., например, Ванг, Велтер, 1981; Вайт и др., 1983), наблюдаемые профили импульса существенно отличаются для разных источников, обладают широким разнообразием форм в зависимости от энергии и светимости источника и могут в некоторых случаях смещаться вплоть до 180° по фазе с изменением энергетического диапазона. Кроме того, они также обладают переменностью на масштабе одного импульса (см., например, Фронтера и др., 1985; Цыганков и др., 2007). Тем не менее, Булик и др. (2003) предприняли попытку "широкой" классификации профилей импульса, согласно
которой каждый пульсар может быть отнесен либо к одно-, либо к двухпиковому подклассу профилей. Такая классификация основана на том факте, что в процессе вращения нейтронной звезды наблюдатель видит либо один, либо два магнитных полюса соответственно. Причем на малых энергиях это различие может быть не столь явным, однако выше ~10 кэВ, где влиянием поглощения можно пренебречь, или, в случае пульсаров с циклотронной особенностью, выше циклотронной энергии, можно четко разделить одно и двух пиковые профили.
Наличие сильного магнитного поля (1011—1013 Гс) вблизи излучающих областей на поверхности нейтронной звезды является источником особенностей в наблюдаемых свойствах рентгеновских пульсаров. В частности, непосредственным источником информации о величине магнитного поля является положение резонансной линии циклотронного рассеяния в спектре пульсара. Данным способом впервые было измерено магнитное поле у рентгеновского пульсара Her X-1 (Трюмпер и др., 1978). Кроме этого, на циклотронной частоте резко меняются свойства аккрециру-емой плазмы, что может выражаться в изменении диаграммы направленности излучения (Межарос, Нагель, 1985). Соответствующие изменения профиля импульса вблизи циклотронной энергии были зарегистрированы у некоторых источников (см., например, Цыганков и др., 2006 и ссылки там).
В работах Баско и Сюняева (1975, 1976) было показано, что диаграмма направленности излучения аккреционной колонки зависит от наличия ударной волны в ней. Так, при высокой светимости (> 1037 эрг/с) над поверхностью нейтронной звезды возникает ударная волна, в которой происходит торможение падающего вещества. Излучающая плазма скапливается в зоне под ударной волной и излучение в основном выходит через боковые поверхности аккреционной колонки с пропеллерной диаграммой направленности. В случае более низких светимостей вещество может тормозиться вблизи поверхности нейтронной звезды и благодаря эффектам сильного магнитного поля карандашная диаграмма направленности излучения будет более вероятна. При промежуточных светимостях диаграмма направленности будет представлять из себя комбинацию пропеллерной и карандашной. Диаграмма направленности, а соответственно и профиль импульса, может изменяться в зависимости от энергетического диапазона, так как более горячие слои вещества находятся ближе к поверхности нейтронной звезды, где условия формирования излучения могут отличаться от более высоких слоев (Баско, Сюняев, 1976).
Очевидно, что изменения в диаграмме направленности, а также условиях и геометрии формирования излучения должны приводить к зависимости
доли пульсирующего излучения как от светимости источника, так и от энергии. Данный факт был осознан и измерен рядом авторов еще в 80—90-х годах, однако только с появлением современных обсерваторий RXTE и ИНТЕГРАЛ, имеющих высокое временное и энергетическое разрешение (особенно в области жестких энергий, где наблюдаемое излучение не подвержено влиянию фотопоглощения и зависит только от геометрии системы и физических условий в области его формирования), стало возможным проведение систематических исследований. В частности, Цыганков и др. (2007), используя данные обсерватории RXTE, показали, что доля пульсирующего излучения у источника 4U0115+ +63 уменьшается с увеличением светимости источника и увеличивается с энергией. При этом увеличение идет не монотонным образом, а имеет особенности вблизи гармоник циклотронной линии поглощения: в районе основной гармоники наблюдается явное ее превышение над общим трендом; в районе высших гармоник также регистрируются подобные особенности, которые однако могут быть несколько смещены относительно энергии центра гармоники. Увеличение с энергией доли пульсирующего излучения было также отмечено для ряда других пульсаров: GX 1+4 (Ферригно и др., 2007), OAO 1657-415 (Барнштедт и др., 2008), EXO 2030+375 (Клочков и др., 2008а).
Данная работа является следующей в цикле статей (Цыганков и др., 2007; Лутовинов, Цыганков, 2008), посвященных исследованию профилей импульса и доли пульсирующего излучения рентгеновских пульсаров. Используя методы, предложенные и описанные Цыганковым и др. (2007), были исследованы десять (4U 0115+63, V 0332+53, A 0535+262, Vela X-1, Cen X-3, GX 301-2, OAO 1657-415, Her X-1, GX 1+4, EXO 2030+375) наиболее ярких (поток >100 мКраб) рентгеновских пульсаров, наблюдавшихся обсерваторией ИНТЕГРАЛ в жестком (>20 кэВ) диапазоне энергий. В работе впервые подробно исследуется зависимость доли пульсирующего излучения рентгеновских пульсаров от их светимости и энергетического диапазона, а также влияние на нее резонансного поглощения вблизи циклотронной линии. Также были получены профили импульса вышеуказанных пульсаров в нескольких диапазонах энергий, карты относительных интенсивностей профилей импульсов и зависимости доли пульсирующего излучения (ДПИ) от энергии для всех возможных наблюдавшихся состояний и светимостей и создан соответствующий каталог. Ввиду того, что это представляет собой достаточно большой массив данных и для того, чтобы не перегружать статью, здесь мы приводим только усредненные (если профиль существенно
Таблица 1. Яркие рентгеновские пульсары по даным обсерватории ИНТЕГРАЛ
Название Наблюдение, Середина Экспозиция, Поток®, Светимость6,
пульсара орбиты наблюдений, MJD КС 10~9 эрг с-1см~2 1037 эрге-1
1 2 3 4 5 6
4U 0115+ 63 238 53273.6 97.0 12.9Í°oi
V 0332 + 53 272 53376.5 23.7 78 4+0'8 46.1í°0i
273 53379.3 42.5 74.0+^ 43.5Í°0-2
274 53380.3 15.9 70.2Í°0i 41.2Í°o:t
278 53394.2 41.9 45.3Í°0i 26.6Í°0;4
284 53411.0 107.7 15.0Í°0;? 8.8í°0:í
285 53413.1 11.6 i4.8±8:i 8-7Í°o1
286 53416.3 16.2 9.9Í2;? 5.8ÍJ;2
287-288 53420.6 27.6 5-9Í4oÍ o 4+2.7
А 0535 + 262 352(низкое) 53613.7 34.1 15.6Í°0;Í 1 3+0'1
352(среднее) 53614.5 51.0 18.8Í°0;Í 1 5+0'1
352 (высокое) 53615.4 42.0 20.9Í°0i 1 7+0Л -L-'-O.l
Vela Х-1 58 52734.3 7.2 10 7+0'7 0 ^1+0'04
81 52804.1 60.0 5 63+0'05 O.OO_0 22 0 27+0'01 -0.01
82 52807.5 106.5 о OO+0.16 29 0 4^+0'01 u-40-o.oi
83 52809.5 150.8 9 23+0'12 0 44+0'01
84 52812.7 61.5 4 M+0-15 0.22í°0;°i
85 52816.7 79.9 8.07Í°oi54 0.39í°0;°i
86 52819.1 148.1 8.93t°0^ 0 43+0'01
87 52822.3 57.8 4 82+0'06 — 0.23 0 23+0'01 — 0.01
88 52825.0 88.6 1 9 60+° 15 lZ.DU_g 28 0 61+0'01
137 52971.4 111.1 11 68+0'12 ll.DO_0 33 0 56+0'01
138-140 52978.5 248.1 8.64Í°oi48 o.42±°0;°11
146 52997.5 5.2 18.6ÍS:? °-9±ол
149 53006.4 5.5 20.0 t2;3 1 0+ол
154 53021.3 5.9 14.6Í°oÍ 0 7+0Л
157 53030.3 8.7 io.it?:I 0 5+0Л
161 53042.2 6.8 7 64+1'11 1 78 п qy+0.05 -0.09
171 53071.6 5.0 11 6+0'4 0 ^+0'02 и'ОО-0.03
186 53119.2 5.5 12.2ÍJ;° и'ОО-0.04
203 53168.5 9.8 n.sí^i 0 ^+0'07 и'ОО-0.13
217 53209.7 7.1 12.5±°;? 0 60+0'04
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.