Зоопарк нейтронных звезд Сергей Попов (ГАИШ МГУ) (www.bradcovington.com) - презентация

1 Зоопарк нейтронных звезд Сергей Попов (ГАИШ МГУ) (

2 Предсказание... Нейтронные звезды были предсказаны в 30-е гг. Л.Д. Ландау: Звезда-ядро Бааде и Цвикки: нейтронные звезды и сверхновые (Ландау) (Бааде) (Цвикки)

3 Нейтронные звезды Радиус 10 км Масса 1-2 солнечной Плотность порядка ядерной

4 Астрономия – наблюдательная наука Главная особенность астрономии состоит в том, что в ней прямой эксперимент заменен на наблюдения.

5 Нейтронные звезды - 2 Сверхсильные магнитные поля и быстрое вращение Очень компактный объект: глубокая потенциальная яма

6 Старый зоопарк нейтронных звезд В 60-е гг. были открыты первые рентгеновские источники. Это были НЗ в тесных двойных системах, НО их «не узнали».... Сейчас известны сотни рентгеновских двойных с нейтронными звездами в нашей и других галактиках.

7 Ракетные эксперименты Sco X-1 Giacconi, Gursky, Hendel 1962 год В 2002 г. Р.Джиаккони получил Нобелевскую премию по физике.

8 UHURU Спутник запущен 12 декабря 1970 г. Закончил работу в марте 1973 г. Другое название SAS кэВ Первый полный обзор неба. 339 источника.

9 Аккреция в тесных двойных Аккреция – самый мощный источник энергии из тех, что могут давать большой выход энергии. При падении вещества на нейтронную звезду выделяется до 10% от mc 2

10 Аккреционный диск Теория создана в гг. Н.И.Шакура и Р.А. Сюняев Аккреция важна не только для двойных систем, но и для активных ядер галактик и для других систем

11 Тесные двойные системы Около ½ массивных звезд входит в двойные системы. Сейчас в тесных двойных системах известны многие десятки нейтронных звезд. Глубокая потенц. яма – высокие скорости – высокая температура – рентгеновское излучение

12 Открытие !!!! 1967: Джоселин Белл. Радиопульсары. Серендипическое открытие. «Никто не знал, что у нейтронных звезд есть колокольчики» «Колокольчиком» является сильное магнитное поле.

13 «Ехали на тройке с бубенцами» Первые открытые (и неузнанные) нейтронные звезды излучают за счет сильного гравитационного поля (аккреция). Радиопульсары видны, т.к. имеют большое поле и быстрое вращение. Оказывается, что есть и другие способы для нейтронной звезды заявить о себе.

14 Jocelyn Bell

15 Пульсар в Крабовидной туманности Период вращения 33 мсек (при рождении ~ 19 мсек) Магнитное поле ~ Гс

16 Пульсар Vela 7 – джет Джеты (струи) наблюдаются у нескольких нейтронных звезд.

17 Vela виляет хвостом

18 Новый зоопарк нейтронных звезд В последние 10 лет стало ясно, что нейтронные звезды могут рождаться очень разными, совсем непохожими на обычные радиопульсары типа Краба. o Компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых o Аномальные рентгенов. пульсары o Источники мягких повторяющихся гамма-всплесков o Великолепная семерка o Источники EGRET o Транзиентные радиоисточники o Calvera

19 Взрыв сверхновой (Buras, Janka et al.) Расчеты взрывов сверхновых можно смело отнести к числу самых сложных задач. термоядерные реакции магнитные поля гидродинамика нейтрино эффекты теории относит.

20 Сверхновая с джетом (PLUTO; written by A. Mignone)

21 Компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых Cas ARCW 103 Проблема: маленькая площадьНовый результат: период 6.7 часа

22 Puppis A Один из самых известных компактных рентгеновских источников в остатках сверхновых. Возраст около 3700 лет. Возможно, что прародителем была очень массивная звезда (около 30 масс Солнца). Новый результат: скорость 1500 км/с

23 Магнитары Потери энергии: dE/dt > dE rot /dt Потери энергии: dE/dt > dE rot /dt По определению: расходуется энергия магнитного поля НЗ По определению: расходуется энергия магнитного поля НЗ Скорость замедления и период Скорость замедления и период Прямые измерения магн. поля Прямые измерения магн. поля Магнитные поля –10 15 Гс

24 Известные магнитары SGRs (МПГ) SGRs (МПГ) кандидаты +кандидаты AXPs (АРП) AXPs (АРП) CXO CXO U U E E RXS J RXS J XTE J XTE J E E AX J AX J E E E E кандидаты +кандидаты (СТВ 109)

25 Магнитары в галактике 4 МПГ, 9 АРП, плюс кандидаты, плюс радиопульсары с большими магнитн. полями … 4 МПГ, 9 АРП, плюс кандидаты, плюс радиопульсары с большими магнитн. полями … Молодые объекты (около 10 4 лет). Молодые объекты (около 10 4 лет). Возможно около 10% всех НЗ. Возможно около 10% всех НЗ.

26 Исторические заметки 05 Марта Эксперимент Конус. Венера-11,12 (Мазец и др.) 05 Марта Эксперимент Конус. Венера-11,12 (Мазец и др.) Событие в БМО. SGR Событие в БМО. SGR Флюэнс: около эрг/см 2 Флюэнс: около эрг/см 2 Мазец и др. 1979

27 N49 - Остаток сверхновой в Большом Магеллановом облаке

28 Обычные (слабые) всплески МПГ и АРП Типичные всплески от SGR , SGR и от AXP 1E по данным RXTE (из статьи Woods, Thompson, 2004, astro-ph/ ) Типичные всплески от SGR , SGR и от AXP 1E по данным RXTE (из статьи Woods, Thompson, 2004, astro-ph/ ) (из статьи Woods, Thompson 2004)

29 Промежуточные всплески МПГ Примеры четырех промежуточных всплесков. Однако иногда четвертый (правый нижний) некоторые считают гигантским (из статьи Woods, Thompson) Примеры четырех промежуточных всплесков. Однако иногда четвертый (правый нижний) некоторые считают гигантским (из статьи Woods, Thompson) (из статьи Woods, Thompson 2004)

30 Гигантская вспышка SGR (27 Августа 1998) Данные со спутника Улисс (рис. из Hurley et al. 1999a) Данные со спутника Улисс (рис. из Hurley et al. 1999a) Импульс 0.35 сек Импульс 0.35 сек P=5.16 сек P=5.16 сек L> эрг/с L> эрг/с E TOTAL >10 44 эрг E TOTAL >10 44 эрг Hurley et al. 1999

31 МПГ: периоды и гигантские вспышки кандидаты P, сек Вспышки Март Авг Дек Июнь 1998 (?) См. обзор в Woods, Thompson astro-ph/

32 Аномальные рентгеновские пульсары Выделены в отдельную группу в 1995 г. (Mereghetti, Stella 1995 Van Paradijs et al.1995) Близкие периоды (5-10 секунд) Постоянное замедление Отсутствие оптических компаньонов Относительно слабая светимость Постоянная светимость

33 Известные АРП CXO U E RXS J XTE J E AX J E E Источник Период, сек

34 Показаны профили импульсов нескольких АРП и МПГ

35 МПГ и АРП – близнецы-братья? Вспышки от АРП Вспышки от АРП Спектральные свойства Спектральные свойства Неактивные периоды у МПГ ( с 1983) Неактивные периоды у МПГ ( с 1983) Gavriil et al. 2002

36 Измерения магнитного поля Прямые измерения магнитного поля МПГ Прямые измерения магнитного поля МПГ Замедление вращения Замедление вращения Длинные периоды вращения Длинные периоды вращения Ibrahim et al. 2002

37 Основные типы активности МПГ Слабые всплески. L

38 Гигантская вспышка источника МПГ 27 декабря 2004 гигантская вспышка SGR была зарегистрирована множеством спутников: Swift, RHESSI, Konus-Wind, Coronas-F, Integral, HEND, … 27 декабря 2004 гигантская вспышка SGR была зарегистрирована множеством спутников: Swift, RHESSI, Konus-Wind, Coronas-F, Integral, HEND, … В 100 раз ярче, чем все предыдущие! В 100 раз ярче, чем все предыдущие! Palmer et al. astro-ph/

39 Integral RHESSI CORONAS-FCORONAS-F

40 27 Дек 2004 Гигантская вспышка SGR Импульс 0.2 сек Импульс 0.2 сек Флюэнс 1 эрг/см 2 Флюэнс 1 эрг/см 2 E(имп)= эрг E(имп)= эрг L(имп)= эрг/с L(имп)= эрг/с Длинный «хвост» (400 с) Длинный «хвост» (400 с) P=7.65 с P=7.65 с E(хвост) эрг E(хвост) эрг Расстояние 15 кпк Расстояние 15 кпк

41 Данные Konus-Wind SGR Дек 2004 Мазец и др. 2005

42 Миф о Медузе

43 Что выделяет магнитары? Westerlund 1 Связь с массивными звездами Есть основания полагать, что магнитары (АРП и МПГ) связаны с массивными звездами. Связь с двойными звездами Есть гипотеза о том, что магнитары образуются в тесных двойных системах. Вопрос остается на повестке дня.

44 Внегалактические магнитары (Фредерикс и др.) Недавно стали появляться кандидаты во внегалактические всплески магнитаров. Здесь опять лидирует группа Мазеца из ФТИ им. Иоффе. Ими открыты два кандидата, которые могут находится в галактиках М83 и М31 (Туманности Андромеды).

45 Популяция одиночных нейтронных звезд: в Галактике и по соседству ОНЗ могут проявляться как источники разных типов ОНЗ могут проявляться как источники разных типов –Радиопульсары –Аномальные рент. пульсары –Источники МПГ –Центр. Источники в ОС –Радиотихие нейтр. звезды Местная популяция молодых одиночных нейтронных звезд Радиопульсары Геминга+ Радиотихие НЗ

46 Близкие радиотихие НЗ Открытие: Walter et al. (1996) Открытие: Walter et al. (1996) Собственное движение и расст: Kaplan et al. Собственное движение и расст: Kaplan et al. Нет пульсаций Нет пульсаций Тепловой спектр Тепловой спектр Позже: Позже: шесть братьев шесть братьев RX J

47 Родственники магнитаров? Источник Период,сек RX RX RBS RBS ? 6.88? RX RX RBS Радиотихие Близкие Молодые Тепловое излучение Длинные периоды Великолепная семерка

48 ROSAT ROentgen SATellite Запущен 01 июня 1990г. Программа была успешно завершена 12 февраля 1999 г. Немецкий спутник (при участии США и Великобритании).

49 Движение RX J Про этот объект мы теперь знаем уже много, однако он не слишком похож на шесть других.

50 Солнечная окрестность Солнечная окрестность является нетипичной областью Солнечная окрестность является нетипичной областью Пояс Гулда Пояс Гулда R= пк R= пк Возраст: милл. лет Возраст: милл. лет СН за миллион лет (Grenier 2000) СН за миллион лет (Grenier 2000) Местный пузырь (Local Bubble) Местный пузырь (Local Bubble) До 6 СН за несколько миллионов лет До 6 СН за несколько миллионов лет

51 Пояс Гулда Poppel (1997) Poppel (1997) R=300 – 500 пк R=300 – 500 пк Возраст миллионов лет Возраст миллионов лет Диск с центром в пк от Солнца Диск с центром в пк от Солнца Наклон по отношению к плоскости Галактики около 20 градусов Наклон по отношению к плоскости Галактики около 20 градусов 2/3 массивных звезд в 600 пк от Солнца относятся к Поясу 2/3 массивных звезд в 600 пк от Солнца относятся к Поясу

52 Остывающие нейтронные звезды и физика Нейтронные звезды остывают за счет излучения нейтрино. Измерения температуры молодых нейтронных звезд позволяет получать ограничения на теории поведения вещества в их недрах.

53 Внутреннее строение

54 Неотождествленные источники EGRET Неотождествленные источники формируют несколько групп. Одна из них показывает пространственное распределение, подобное объектам, входящим в Пояс Гулда. Предполагается, что GLAST (а также, возможно, AGILE) смогут внести ясность в этот вопрос. Тема активно изучается

55 Открытие быстрых радиотранзиентов McLaughlin et al. открыли новый тип источников – RRATs (Rapid Radio Transients). Быстрые рентгеновские транзиенты. У нескольких источников обнаружены периоды порядка нескольких секунд. Источники были открыты в 2005 г. в ходе Парксовского (Parkes) обзора Галактической плоскости. Эти источники могут быть родственниками Великолепной семерки. Однако пока не удалось увидеть радиовсплески, подобные RRATs, от Семерки.

56 Открытие RRATs Открытие RRATs стало возможным благодаря развитию техники обработки данных

57 P-Pdot диаграмма для RRATs McLaughlin et al Nature Оценки показывают, что в Галактике должно быть около источников этого типа Молодые или старые???

58 RRATs. Новые данные Рентгеновское (крестики) и радио (красная линия) излучение одного из RRATs. Рентгеновское излучение очень похоже на то, что видят от Великолепной семерки. Есть радиопульсары, по своим свойства очень похожие на RRATs.

59 Calvera В 2007 году был обнаружен любопытный объект. По всей видимости, это очередная одиночная нейтронная звезда. Радиоизлучения от нее нет. Расстояние неизвестно ….

60 Заключение Несколько групп источников: Несколько групп источников: Центр. комп., В7, Центр. комп., В7, МПГ, АРП... МПГ, АРП... Магнитары (?) Магнитары (?) Значительная доля всех новорожденных НЗ Значительная доля всех новорожденных НЗ Вопросы: Вопросы: 1. Есть ли связь? 1. Есть ли связь? 2. Причины различий 2. Причины различий

61 Dorothea Rockburne

62 ВОТ И ВСЕ! СПАСИБО!

63 Где почитать? Элементы.Ру ( Астронет ( (vek2.ru)

64 Основные обзоры Общее о НЗ: physics/ physics/ SGRs & AXPs: astro-ph/ Магнитары: oНаблюдения АРП astro-ph/ oТеория astro-ph/ astro-ph/ Центральные компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых: astro-ph/ Великолепная семерка: astro-ph/ RRATs: astro-ph/ astro-ph/ Охлаждение НЗ: astro-ph/ astro-ph/ Труды ГАИШ том 72 (2003)

65 Зависимость масса-радиус

66 Популяция близких молодых нейтронных звезд Великолепная семерка Великолепная семерка Геминга и 3EG J Геминга и 3EG J Четыре радиопульсара с тепловым излуч. (B ; B ; B ; B ) Четыре радиопульсара с тепловым излуч. (B ; B ; B ; B ) Семь более старых радиопульсаров, для которых тепловое излучение не было зарегистрировано Семь более старых радиопульсаров, для которых тепловое излучение не было зарегистрировано

67 Пространственное распределение (Popov et al Ap&SS 299, 117) More than ½ are in +/- 12 degrees from the galactic plane. 19% outside +/- 30 o 12% outside +/- 40 o

68 Активность МПГ и исследования этих источников

69 Теория магнитаров Thompson, Duncan ApJ 408, 194 (1993) Thompson, Duncan ApJ 408, 194 (1993) Конвекция в молодой НЗ приводит к генерации сильного магнитного поля Конвекция в молодой НЗ приводит к генерации сильного магнитного поля Перестройка структуры магнитного поля Перестройка структуры магнитного поля (Рисунки с веб-страницы Дункана)

70 Генерация магнитного поля Механизм генерации магнитных полей нейтронных звезд остается неизвестным. Турбулентное динамо α-Ω динамо (Duncan,Thompson) α 2 динамо (Bonanno et al.) или их комбинация В любом случае критическим параметром является начальный темп вращения нейтрон. звезды.

71 Альтернативная теория Остаточный диск Остаточный диск Mereghetti, Stella 1995 Mereghetti, Stella 1995 Van Paradijs et al.1995 Van Paradijs et al.1995 Alpar 2001 Alpar 2001 Marsden et al Marsden et al Проблемы ….. Проблемы ….. Как сгенерировать сильные всплески? Как сгенерировать сильные всплески? Открытие пассивного Открытие пассивного диска у АРП диска у АРП

72