Космическая лаборатория термоядерных взрывов.

И.В. ЧЕЛОВЕКОВ кандидат физико-математических наук, ИКИ РАН

Возможности международной космической обсерватории «Интеграл» (ESA; Земля и Вселенная, 2003, № 2), работающей в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне, позволяют обнаруживать новые рентгеновские барстеры – нейтронные звезды, входящие в состав двойных систем и на поверхности которых периодически происходят термоядерные взрывы. Такие системы служат удобными «лабораториями» по изучению поведения вещества в условиях сильной гравитации и высоких давлений и температур. К 2008 г. обсерватория «Интеграл» зарегистрировала десятки гамма-всплесков и открыла несколько рентгеновских барстеров. На основе ее данных создан каталог источников всплесков рентгеновского излучения I рода.

Природа двойных систем

Еще в 1930-х гг. было предсказано существование нейтронных звезд, то есть звезд, основную часть вещества которых составляют нейтроны. На начальной стадии своего существования все звезды содержат большое количество водорода. За счет гравитационного сжатия звезды температура и плотность в ее недрах возрастают до значений, достаточных для протекания термоядерного горения водорода. Возникающее при этом давление излучения останавливает дальнейшее гравитационное сжатие звезды. На данной стадии, на которой сейчас находится, например, Солнце, водорода еще много – он составляет почти три четверти массы нашей звезды. Однако со временем весь водород выгорает и превращается в гелий. Реакции термоядерного синтеза могут идти и далее вплоть до железа, выделяя при этом энергию, необходимую для сдерживания гравитационного сжатия. Когда все термоядерное топливо сгорает и давление гравитационного сжатия сдерживать уже нечем, происходит гравитационный коллапс – быстрое сжатие звезды, при котором ее радиус уменьшается в сотни и тысячи раз. В зависимости от своей начальной массы звезда может превратиться в белый карлик, нейтронную звезду (ее гравитационное сжатие будет остановлено давлением вырожденных фермионов – электронов или нейтронов) или в черную дыру, которая звездой в привычном для нас смысле уже не является.

Нейтронные звезды с их необычными свойствами представляют интерес для астрофизиков. Их масса близка к массе Солнца, но радиус составляет лишь около 10 км (для сравнения: радиус Солнца – 7 х 10⁵ км). Таким образом, плотность вещества нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра. Земля, сжатая до такой плотности, уменьшилась бы до размера спичечного коробка. Гравитационное поле на поверхности такой звезды оказывается в сотни миллиардов раз сильнее, чем на поверхности Земли. Чтобы исследовать процессы, происходящие вблизи поверхности нейтронных звезд, необходима уникальная лаборатория, которую нельзя создать на Земле. В ней можно исследовать, например, эффекты теории относительности, поведение вещества в условиях высоких плотностей материи и энергии.


Вероятно, так выглядит двойная система, в которой крохотная, но очень плотная нейтронная звезда (слева) перетягивает вещество с гигантской звезды-компаньона, образуя вокруг себя аккреционный диск (рисунок: NASA)

В соответствии с современными представлениями, большинство ярких компактных источников рентгеновского излучения в нашей Галактике – это двойные системы, состоящие из нормальной звезды и компактного объекта – нейтронной звезды или черной дыры. Во многих из этих систем происходит процесс аккреции – перетекание вещества с обычной звезды на компактный объект. В результате вокруг компактного объекта возникает аккреционный диск. Если компактным объектом в системе является нейтронная звезда со слабым магнитным полем (менее 10⁹ Гс; например, пульсары обладают сильным полем – 10¹² Гс и более), то аккрецируемое вещество скапливается на ее поверхности и формирует пласт, температура и плотность в основании которого достаточны для термоядерной детонации вещества. При определенных условиях термоядерное горение становится неустойчивым, что приводит к взрывному выделению энергии, которое мы наблюдаем в виде рентгеновского всплеска I рода. Светимость системы в спокойном состоянии, составляющая 10³⁶ – 10³⁷ эрг/с, в момент такого всплеска может возрастать на два-три порядка, и даже достигать критического (эддингтоновского) уровня. Давление излучения, возникающего при выпадении вещества на поверхность нейтронной звезды, в этом случае сможет компенсировать давление, оказываемое на аккрецируемое вещество силой притяжения к нейтронной звезде. В рентгеновском диапазоне наблюдаются солнечные вспышки, космические гамма-всплески и активность источников повторных всплесков (магнетаров). Регистрируются также отдельные события, связанные с нестационарностью аккреции в двойных системах, относящихся к всплескам II рода. Они возникают в маломассивных рентгеновских двойных и в массивных системах с аккрецией из неоднородного звездного ветра звезды-спутника. По сравнению с ними рентгеновские всплески I рода и их источники представляют особый интерес для исследования в связи с их очень специфичными свойствами. Они несут информацию о процессах, происходящих у самой поверхности нейтронной звезды в условиях действия сверхсильных гравитационного поля и давления, сверхвысоких температур и релятивистских скоростей. Получение информации о таких всплесках, наряду с регистрацией когерентных пульсаций, служит одним из важнейших и самых надежных критериев идентификации природы компактного объекта (нейтронной звезды) в рентгеновских двойных системах. Часто всплески наблюдаются от слабых рентгеновских или транзиентных источников во время их низкого состояния. Поток постоянного рентгеновского излучения от них находится ниже уровня уверенной регистрации современными широкоугольными рентгеновскими приборами. Такие источники могут быть обнаружены лишь во время всплесков, когда их рентгеновская светимость на короткое время возрастает в десятки и сотни раз. Барстеры (источники рентгеновских всплесков I рода) иногда открывают случайно во время длительных наблюдений или обзоров, проводимых сверхчувствительными зеркальными рентгеновскими телескопами. Однако распознать их природу в этом случае намного сложнее.

Гамма-обсерватория «Интеграл»

Расположение научных приборов и систем на международной астрофизической орбитальной обсерватории «Интеграл» (рисунок: ESA)

Мы расскажем о поиске новых рентгеновских барстеров по данным телескопа IBIS космической обсерватории «Интеграл». Международная астрофизическая гамма-обсерватория «Интеграл» («INTEGRAL» – INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) была выведена 17 октября 2002 г. на высокоапогейную орбиту (высота 152 490 км и период обращения 66 ч 19 мин), на которой работает до сих пор. Столь вытянутая орбита и большая высота перигея позволяют проводить практически непрерывные наблюдения со спутника (85% времени) в условиях постоянного фона вне радиационных поясов Земли. Эта обсерватория предназначена для решения задач ядерной астрофизики и исследования широкополосных спектров черных дыр и нейтронных звезд в рентгеновском и гамма-диапазоне. Помимо прочих научных приборов, она оснащена двумя уникальными широкоугольными телескопами. Напомним, что в состав научной аппаратуры обсерватории входят рентгеновский и гамма-телескоп IBIS (диапазон 15 кэВ – 10 МэВ), гамма-спектрометр SPI (20 кэВ – 8 МэВ), рентгеновский телескоп JEM-X (3 – 35 кэВ) и оптический монитор OMC (500 – 850 нм). Приборы позволяют за несколько часов одновременно наблюдать области неба площадью около тысячи квадратных градусов с чувствительностью лучше 1 мКраб (единица измерения в виде постоянного потока излучения от Крабовидной туманности, принятая за 1 Краб) и угловым разрешением, достигающим нескольких минут дуги. Значительная часть времени посвящена непрерывным наблюдениям области галактического центра и галактической плоскости, где сосредоточена основная масса старых звезд Галактики, поэтому «Интеграл» как нельзя лучше подходит для решения подобной поисковой задачи.

Телескоп IBIS космической обсерватории «Интеграл» предназначен для наблюдения всех известных классов источников гамма-излучения от самых компактных галактических до внегалактических объектов. Прибор обладает широкими возможностями в построении изображений участков неба, попадающих в его поле зрения, а также высокой спектральной чувствительностью как в узких линиях, так и в континууме.

IBIS представляет собой детектор гамма-лучей, который при помощи кодирующей маски может строить изображения участков неба в поле зрения прибора с высоким разрешением. Кодирующая маска сделана из прозрачных и матовых элементов, расположенных в определенной последовательности. За кодирующей маской находятся два слоя различных работающих одновременно детекторов. Детекторы IBIS содержат большое число маленьких полностью независимых чувствительных элементов. Верхний слой ISGRI состоит из 128 х 128 твердотельных полупроводниковых кадмиево-теллуриевых (CdTe) детекторов, нижний PICsIT – из сцинтилляционных кристаллов цезий-йод (CsI). В случае использования обоих слоев определяются трехмерные траектории фотонов, что позволяет с хорошей степенью точности отфильтровать и отбросить те фотоны, которые не связаны с излучением исследуемых источников в поле зрения прибора, и тем самым улучшить соотношение полезного и шумового сигнала (S/N). Гамма-излучение от точечного источника проецируют узор маски на матрицу детекторов таким образом, что расположение узора в плоскости матрицы определяет направление на источник. В случае множественных или протяженных источников изображение наблюдаемого сегмента неба можно получить, наложив друг на друга узоры матрицы в плоскости детекторов. Разрешение изображения улучшается по мере увеличения расстояния между маской и детекторами, а также при уменьшении размеров элементов маски и детектора.

Карта полной экспозиции наведений телескопа IBIS (область полного кодирования) за первые 600 орбитальных циклов (~5 лет) работы обсерватории «Интеграл». Цветовая шкала показывает экспозицию наблюдений. Из рисунка видно, что особое внимание в программе наблюдений обсерватории «Интеграл» уделяется исследованию галактической плоскости, особенно центра Галактики (Н. Мовлави и М. Тюрлер, ISDC)

Кодирующая апертура оптимизирована для получения изображений с высоким угловым разрешением и способна локализовать слабые источники с точностью до 12'. Угловое разрешение телескопа определяется в основном пространственным разрешением массива детекторов, так как дифракцией в этом диапазоне длин волн можно пренебречь. В жестком рентгеновском диапазоне апертура детектора ограничена пассивной защитой, закрывающей весь объем от детекторных пластин до кодирующей маски. Активная система защиты, собранная на основе BGO сцинтилляторов, закрывает детекторы снизу и пространство между детекторами с четырех сторон.

В своих исследованиях мы рассматривали источники излучения, зарегистрированные только детекторным слоем ISGRI телескопа IBIS.

Наблюдения и методы обработки данных

Анализ информации, полученной телескопом IBIS, основывается на стандартном пакете программ научной обработки данных обсерватории «Интеграл». Этот пакет позволяет восстанавливать изображение неба в поле зрения телескопа и идентифицировать источники рентгеновского и гамма-излучения. Как уже говорилось, во время всплеска I рода поток энергии излучения от рентгеновского барстера возрастает на два-три порядка и находится выше уровня потока постоянного излучения на протяжении периода длительностью от нескольких секунд до нескольких десятков минут. Поэтому для обнаружения таких всплесков достаточно построить изображения в поле зрения телескопа за весь период его работы с временным шагом, скажем, в 5 с, и сравнить статистические значимости детектирования каждого из наблюдаемых источников на этих изображениях. Построение одного изображения на современном персональном компьютере (процессор Pentium IV 2.4 ГГц, оперативная память 2 Гб) занимает около 2 мин, то есть для обработки данных одного года наблюдений потребуется более 20 лет!


Временно’й профиль рентгеновского всплеска, зарегистрированного 27 сентября 2003 г. от источника 4U 1608-522, находящегося в созвездии Наугольника на расстоянии 11740 св. лет от нас. Начало отсчета соответствует времени 5 ч 09 мин 22 с по Гринвичу, кривая линия – средняя скорость счета за весь сеанс наблюдений (увеличивается в момент регистрации всплеска и через 12 с возвращается на прежний уровень). Профиль приведен в энергетическом диапазоне 15 – 25 кэВ

Несомненно, если имеется несколько сотен подобных ПК можно решить эту задачу и за один месяц, но намного выгоднее применить метод, позволяющий быстро и эффективно сократить машинное время в сотни раз. Подобный метод мы и применили. Для этого были построены зависимости скорости фотонов детектором ISGRI от времени (кривые блеска) с временны'м шагом (бином) 1, 5 и 10 с за первые полтора года наблюдений обсерватории «Интеграл». Причем учитывались все фотоны вне зависимости от направления их прихода. Необходимую работу мы сделали менее чем за неделю. Отметим, что достоверное выделение фотонов, пришедших от каждого из наблюдаемых источников, занимает бóльшую часть времени при построении изображений. Обычно скорость счета фотонов в данный момент времени может лишь незначительно (в силу статистических флуктуаций) отличаться от своего среднего значения по данному наведению телескопа. Всплеск от одного из источников, находящихся в поле зрения телескопа, обязательно отразится на кривой блеска. Достаточно построить изображения лишь во время всплеска и непосредственно перед ним, сравнив яркость обнаруженных на этих двух изображениях источников, чтобы выяснить, в каком источнике произошел всплеск жесткого рентгеновского излучения.

Так были получены записи скорости счета в диапазоне энергии 15 – 25 кэВ для 13777 наведений обсерватории «Интеграл» с 10 февраля 2003 г. по 2 июля 2004 г. Длительность отдельного наведения доходила до 70 – 80 мин, суммарная экспозиция всех использованных наблюдений составила 390 сут. Нами создана карта распределения времени наблюдения телескопа IBIS в данный период. Для всех зарегистрированных всплесков были восстановлены изображения участка неба в поле зрения IBIS, накопленные с одинаковой экспозицией в момент всплеска и непосредственно перед ним. Проанализировав результаты, мы выявили источники всплесков.

Весь комплекс процедур похож систему автоматического поиска гамма-всплесков IBAS (Integral Bars Allerd System – система распространения сообщений о всплесках излучений, зарегистрированных обсерваторией «Интеграл»), попавших в поле зрения телескопа IBIS/ISGRI. Отличия состоят в том, что в системе IBAS используется более жесткий и широкий диапазон энергий; в 2003 – 2004 гг. игнорировались события, не относящиеся к гамма-всплескам; алгоритмы и программы разрабатывались для оперативной автоматической работы с телеметрическими данными.


Изображение области неба в поле зрения телескопа IBIS/ISGRI за 10 с до начала всплеска (а), зарегистрированного 20 сентября 2003 г., и в его максимуме (б). В обоих случаях экспозиция равна 5 с, и используется диапазон энергий 15 – 25 кэВ. Прямые линии – координатная сетка галактической системы. Всплеск был обусловлен активностью системы GX 354-0

Что же мы узнали?

Проведенный анализ временны'х записей скорости счета фотонов детектором IBIS/ISGRI привел к обнаружению нескольких тысяч всплесков, источники 115 из них были также выявлены на изображениях области неба в поле зрения телескопа. Часть этих событий была вызвана космическими гамма-всплесками. Остальные, за одним исключением, удалось связать с известными постоянными источниками рентгеновского излучения. Один из всплесков мы отождествили с ранее неизвестным рентгеновским барстером IGR J17364-2711.

Итак, был открыт новый рентгеновский барстер. Много это или мало? Область неба размером 8° х 8°, в котором был обнаружен новый барстер, содержит до 80% звезд галактического балджа (4 х 10⁹ М_Θ), не считая обычных звезд (3 х 10⁹ М_Θ) и других компонент Галактики. Оценки показывают, что промежуток времени между последующими всплесками (период рекуррентности) для данного барстера должен составлять около 20 лет. Регистрация лишь одного всплеска за 3.4 Мс наблюдений означает, что в данной области Галактики может находиться не более 180 подобных систем. Это число сопоставимо с числом постоянных и транзиентных рентгеновских источников, известных в этом поле неба.


Карта полной экспозиции наведений телескопа IBIS, использованных при создании каталога всплесков. Контуры даны с шагом 71 ч, начиная с уровня экспозиции 20 ч. В направлении галактического центра экспозиция достигала 39 сут. В правом нижнем углу схематически показано поле зрения телескопа IBIS

Еще один важный результат наших исследований – создание каталога всплесков, зарегистрированных от ранее известных рентгеновских барстеров. Мы пришли к важному заключению: более 50% из обнаруженных всплесков пришло от известного рентгеновского барстера GX 354-0 – маломассивной двойной системы, находящийся в созвездии Скорпиона на расстоянии 14 700 св. лет от нас. Дело в том, что основная энергия при всплеске I рода уносится излучением в диапазоне до 10 – 15 кэВ, а регистрация всплеска в области 15 – 25 кэВ – это скорее исключение, чем правило. Поэтому регистрация такого большого числа всплесков от GX 354-0 в жестком диапазоне энергии свидетельствует об уникальной особенности этой системы. Такой результат нельзя объяснить эффектом селекции, так как многие другие известные барстеры находились в поле зрения обсерватории даже дольше, чем GX 354-0. Наличие столь большого числа всплесков от GX 354-0 позволило статистически исследовать их свойства и определить, что длительность большинства всплесков, происходящих в этой системе составляет 5 – 7 с. Среднее значение периода рекуррентности всплесков для нее близко к 7 ч. Удалось доказать, что существует прямая зависимость между суммарной энергией, выделившейся в течение всплеска и временем, прошедшим с момента предыдущего всплеска. Мы оценили среднее значение потока энергии излучения от системы в спокойном состоянии – 19 мКраб. Обнаружена линейная зависимость суммарной энергии, выделившейся во время всплеска, от его длительности для слабых и ярких всплесков.


Область неба, содержащая маломассивную рентгеновскую систему GX 354-0 (в кружке 10'). Изображение получено в ИК-диапазоне (обзор 2MASS проводился 1997–2001 гг.). Прямые линии – координатная сетка экваториальной системы

Регистрация всплесков I рода позволяет обнаруживать слабые и транзиентные источники рентгеновского излучения, которые нельзя наблюдать обычными телескопами в спокойном состоянии, и это становится возможным лишь во время всплеска. Преимущество «Интеграла» перед другими космическими обсерваториями заключается в огромном поле зрения – он способен искать скрытые источники одновременно на большом участке неба.

При наблюдении неба в рентгеновском диапазоне можно открывать новые и исследовать уже известные аккрецирующие нейтронные звезды в двойных звездных системах. Накопленная и систематизированная информация о каждой из таких систем позволяет использовать их в качестве своеобразных «лабораторий» для создания и проверки теорий о поведении вещества в условиях сверхсильных гравитационных полей и сверхвысоких плотностей. В результате таких исследований мы приоткрываем еще одну завесу, скрывающую многочисленные тайны нашей Вселенной.