ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

Switch Language

Обсерватория IXPE обнаружила необычную поляризацию рентгеновского пульсара

28 октября 2022
Рубрика
Исследования

Сотрудники ИКИ РАН совместно с коллегами из других стран определили геометрические параметры вращения нейтронной звезды в двойной системе Геркулес X-1. Результаты исследования подтверждают идею о том, что эта звезда прецессирует, как волчок. Они опубликованы 24 октября 2022 г. в журнале Nature Astronomy.

Рентгеновские пульсары — это нейтронные звезды с сильным магнитным полем. Их излучение в рентгеновском диапазоне обусловлено падением газа с поверхности звезды-компаньона (этот процесс называется аккрецией). Вместе нейтронная звезда и «обычная» образуют двойную систему, которую так и называют — рентгеновская двойная (X-ray binary).

Такие двойные системы — одни из самых ярких и заметных объектов на рентгеновском небе. Благодаря новой космической обсерватории IXPE, выведенной в космос в декабре 2021 г., появилась возможность изучать их по-новому — исследовать поляризацию их рентгеновского излучения.

Поляризация содержит важную информацию об ориентации космических источников. Поляризационный угол связан с преобладающим направлением колебаний электрического поля, а это направление определяется осью симметрии системы. Благодаря этому можно понять, как два объекта вращаются друг вокруг друга и вокруг своих осей. Фактически, это позволяет косвенным образом нарисовать «портрет» двойной системы, уже не условный, а приближенный к реальному расположению объектов.

Обсерватория IXPE — первая специализированная миссия для изучения поляризации — является совместным проектом НАСА и Итальянского космического агентства с участием организаций и исследователей из 13 стран, в том числе России.

Рентгеновский пульсар Геркулес X-1 был первым пульсаром, в котором IXPE задетектировал поляризацию. Он находится в нашей Галактике на расстоянии 21 тысяч световых лет от Земли. Это двойная система, которая состоит из пульсара — сильно замагниченной нейтронной звезды с периодом вращения около 1,24 секунды и «обыкновенной» звезды массой примерно 2,2 солнечной массы. Они обращаются вокруг друг друга с периодом 1,7 суток, при этом «обычная» звезда затмевает нейтронную примерно на 5 часов на каждом орбитальном цикле.

Кроме вариаций, связанных с этими затмениями, в рентгеновском излучении пульсара существуют вариации с периодом около 35 дней. Одним из возможных объяснений было то, что вещество в аккреционном диске вокруг нейтронной звезды не просто вращается, а качается (прецессирует), и это связано с прецессией самой нейтронной звезды.

В наблюдениях пульсара, полученных обсерваторией IXPE, обнаружилась ещё одна неожиданная вещь.

«Неожиданным оказалось то, что обсерватория увидела довольно низкую степень поляризации его излучения, всего лишь около 9%, хотя теоретические модели предсказывали около 80%», — рассказывает Виктор Дорошенко, сотрудник университета Тюбингена (Германия), первый автор опубликованной статьи.

 

Юри Поутанен, руководитель лаборатории фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики ИКИ РАН и профессор университета Турку (Финляндия), соавтор статьи, поясняет: «Такое большое разногласие означает, что существующие модели переноса излучения в сильно замагниченной плазме, которая заключена в областях у полюсов нейтронной звезды, нужно пересмотреть, равно как и наше представление о геометрии и структуре области излучения этого объекта, а возможно, и других пульсаров. И данные IXPE нам в этом существенно помогут».

Измерив изменение угла поляризации с фазой вращения пульсара, исследователям удалось определить угол между осью вращения нейтронной звезды и осью ее магнитного диполя. Используя эти, а также более старые данные об измерении поляризации в оптическом диапазоне (полученные с помощью Северного оптического телескопа, Nordic Optical Telescope), было показано, что ось вращения нейтронной звезды не совпадает с осью орбиты двойной системы. Это означает, что нейтронная звезда может прецессировать — то есть ось её вращения как бы «качается», что можно наблюдать на не очень ровно раскрученном или уже останавливающемся волчке.

Рентгеновская двойная система с обыкновенной звездой-компаньоном (красный цвет) и рентгеновским пульсаром (в центре аккреционного диска и в увеличенном виде голубым цветом). Из плоскости диска исходит рентгеновское излучение. Система обращается вокруг оси, обозначенной «омега-orb», рентгеновский пульсар вращается вокруг своей оси, обозначенной «омега-p», а магнитный диполь, в свою очередь, качается (прецессирует) вокруг оси пульсара. Иллюстрация: Александр Муштуков

Идея о том, что ось нейтронной звезды может прецессировать, известна довольно давно, и предполагалось, что именно этим можно объяснить квазирегулярные (примерно 35 дней) вариации потока излучения и формы импульсов от пульсара Геркулес X-1. Прецессия оси имеет значение и для понимания внутреннего «устройства» пульсара. Но до настоящего времени эта гипотеза подтверждалась лишь косвенно. Окончательно же убедиться в том, что в Геркулесе X-1 «работает» именно прецессия, можно будет позже, когда IXPE пронаблюдает эту систему на другой фазе цикла прецессии.

Как подытоживает Сергей Цыганков, также сотрудник лаборатории ИКИ РАН и университета Турку и соавтор статьи, «обсерватория IXPE только начала работу в новой области — рентгеновской поляриметрии, так что нас ожидает много интересных открытий».

Некоторые результаты IXPE будут представлены на Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра — 2022», которая состоится в ИКИ РАН в конце декабря.

Дополнительная информация

  1. Doroshenko, V., Poutanen, J., Tsygankov, S.S. et al. Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01799-5
  2. 26.10.2022 Powerful Neutron Star’s Behavior Surprises IXPE Researchers. Пресс-релиз NASA
  3. Лаборатория фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики ИКИ РАН