ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

Рентгеновский пульсар RX J0440.9+4431 впервые перешел в сверхкритический режим аккреции…

5 июня 2023
Рубрика
Исследования

…и вернулся обратно к докритическому режиму. Всплеск рентгеновской активности пульсара в 2023 году наблюдали практически все космические обсерватории, в том числе международная лаборатория гамма-лучей ИНТЕГРАЛ. Статья с результатами наблюдений направлена в журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и опубликована в архиве электронных препринтов, а иллюстрирующие её графики стали июньской картинкой месяца обсерватории ИНТЕГРАЛ.

В начале 2023 года рентгеновский пульсар RX J0440.9+4431 неожиданно резко увеличил свою яркость — произошла гигантская вспышка излучения, на наблюдение и исследование которой переключились все действующие рентгеновские космические обсерватории.

Источник RX J0440.9+4431, отстоящий от Земли примерно на 2.4 килопарсека (для масштаба, центр Галактики отстоит от нас примерно на 8 кпк), относится к так называемым Be-транзиентам. Это означает, что речь идёт о двойной системе. Один из объектов в ней — массивная горячая звезда B-класса, вокруг которой из-за ее быстрого вращения может формироваться диск из оттекающего вещества. В этом веществе формируются эмиссионные линии, видимые в оптическом и инфракрасном диапазоне, поэтому в названии таких звезд и присутствует буква «е» (от английского emission). Ее компаньоном является нейтронная звезда с сильным магнитным полем — рентгеновский пульсар. Вещество «нормальной» звезды постепенно перетекает на нейтронную звезду (процесс падения называется аккрецией), при этом на ее поверхность оно выпадает вблизи магнитных полюсов, где и рождается рентгеновское излучение. Его видимые пульсации мы наблюдаем потому, что пульсар вращается и поток этого излучения периодически «чиркает» по нашей планете, подобно узконаправленному лучу прожектора.

В обычных условиях процесс перетока вещества происходит более или менее равномерно, и поток рентгеновского излучения остается примерно на одном уровне. Если вещества в оттекающем с обычной звезды диске не очень много, то и на поверхность нейтронной звезды его также падает немного. В этом случае реализуется так называемый режим субкритической аккреции, при котором рентгеновская светимость не очень высока (порядка нескольких единиц на 1034 эрг/с). Но иногда, — по-видимому, вследствие эволюционных процессов обычной звезды, — количество вещества в оттекающем с нее диске резко увеличивается. Это приводит к тому, что и количество вещества, выпадающего на нейтронную звезду, возрастает, а вместе с этим возрастает и ее светимость. На Земле мы наблюдаем этот процесс как резкое повышение яркости объекта в рентгеновском диапазоне, т.е. вспышку.

В какой-то момент давление излучения становится настолько большим, что оно не даёт веществу с обычной звезды свободно падать на поверхность нейтронной звезды, формируется ударная волна, и над поверхностью нейтронной звезды, вблизи ее магнитных полюсов, начинает расти так называемая аккреционная колонка. Рентгеновский пульсар переходит в режим сверхкритической аккреции.

Оказывается, если правильным образом организовать наблюдения и проанализировать особенности спектра во время вспышек, то можно восстановить многие детали этого процесса. И это удалось сделать ученым ИКИ РАН совместно с коллегами из российских и зарубежных институтов и университетов.

Пульсар RX J0440.9+4431, известный с 1990-х годов, всегда считался относительно спокойным объектом с малой светимостью около 1034 эрг/с. Но в 2010 году произошла серия вспышек, в которых его яркость увеличилась в сотни раз, что впервые позволило российским ученым исследовать его в этом состоянии. А в конце 2022 — самом начале 2023 года удалось наблюдать первую гигантскую вспышку от этого пульсара. В начале февраля 2023 года яркость объекта достигла 4.3·1037 эрг/с, превысив предыдущие «рекорды» в десять раз.

Детальное исследование спектра и пульсаций этого объекта во время гигантской вспышки провела группа исследователей из ИКИ РАН, Санкт-Петербургского государственного университета вместе с коллегами из зарубежных организаций — университетов Турку (Финляндия), Тюбингена (Германия) и Оксфорда (Великобритания). В работе были использованы данные космических астрофизических обсерваторий Swift, NuSTAR, NICER (NASA) и ИНТЕГРАЛ (ESA), работающих в разных диапазонах рентгеновского спектра. Однако, именно данные обсерватории ИНТЕГРАЛ, вместе с данными обсерватории NuSTAR, были использованы исследователями для изучения физических свойств объекта в широком диапазоне энергий.

На верхнем графике — кривая светимости пульсара RX J0440.9+4431 по данным обсерватории NICER. Цветные полосы обозначают время проведения наблюдений другими обсерваториями, соответствующие левому нижнему графику. Слева внизу показана эволюция спектра пульсара на разных стадиях вспышки 2023 г., а также, для сравнения, спектр, измеренный в 2010 г. (зеленым цветом); здесь же сплошными и пунктирными линиями показаны модельные расчеты, объясняющие эволюцию спектра объекта. Справа внизу показана «временная развертка» пульсирующего излучения, начиная с момента наибольшей светимости во время вспышки, сделанная по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ в разных энергетических диапазонах (до 120 кэВ). Источник "RX J0440.9+4431: another supercritical X-ray pulsar", Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov, Victor Doroshenko, Sergey V. Molkov, Alexander A. Lutovinov, Alexander A. Mushtukov & Juri Poutanen, 2023, MNRAS, submitted

Из полученных графиков видно, что форма спектра существенно меняется при светимости примерно 2.8·1037 эрг/с, что скорее всего соответствует переключению режима аккреции с докритического на сверхкритический. При этом также меняется профиль импульса: до перехода в нем можно выделить два пика, после — всего один.

Ученым впервые удалось зарегистрировать пульсирующее излучение от этого источника до столь высоких энергий — 120 кэВ. Кроме этого, в спектре пульсара обнаружилось ещё несколько важных особенностей, которые, в частности, заставляют предположить, что первоначальные оценки напряженности его магнитного поля были неверны.

Открытие имеет исключительную важность для понимания физики взаимодействия астрофизической плазмы с излучением и сильным магнитным полем. Измерение светимости перехода от докритического к сверхкритическому режиму аккреции является очень непростой задачей, а сделанное открытие прекрасно подтверждает теоретические предсказания, сделанные родоначальниками отечественной астрофизической школы около полувека назад.

Статья с результатами исследования направлена в журнал Monthly Notes of Royal Astronomical Society и опубликована в архиве электронных препринтов. Графики, построенные в ходе работы, стали «картинкой месяца» обсерватории ИНТЕГРАЛ.

Данная статья является первой в серии работ, посвященных изучению пульсара RX J0440.9+4431 во время этой необычно яркой вспышки, которые ведут российские исследователи. В ближайшее время ожидаются публикации по данным поляриметрической обсерватории IXPE, российского телескопа ART-XC им. М. Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» и др.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-12-00423.

«Интеграл» (INTEGRAL — INTErnational Gamma RAy Astrophysics Laboratory, «международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей») — международный астрофизический проект, который ведет Европейское космическое агентство. Российским вкладом в этот проект является запуск аппарата на орбиту с помощью носителя «Протон» с разгонным блоком ДМ с космодрома Байконур, который был успешно осуществлен 17 октября 2002 г., благодаря чему российские ученые получили право на 25% наблюдательного времени обсерватории. Эти данные доступны через Российский центр научных данных (РЦНД) обсерватории, организованный в ИКИ РАН. Научный руководитель от России — академик Р. А. Сюняев

Дополнительная информация

  1. RX J0440.9+4431: another supercritical X-ray pulsar Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov, Victor Doroshenko, Sergey V. Molkov, Alexander A. Lutovinov, Alexander A. Mushtukov, Juri Poutanen
  2. INTEGRAL Picture Of the Month June 2023. INTEGRAL observes the transient X-ray pulsar RX J0440.9+4431 in the supercritical accretion regime
  3. Карточка проекта Российского научного фонда № 19-12-00423 «Широкополосная переменность излучения рентгеновских источников как инструмент определения их физических параметров»
  4. Сайт проекта ИНТЕГРАЛ на портале Европейского космического агентства