Астрономы МГУ предложили метод различия нейтронных звезд и белых карликов по рентгеновским наблюдениям

Ученые ГАИШ МГУ предложили метод, позволяющий различить нейтронные звезды и белые карлики по наблюдениям рентгеновского излучения в двойных системах. Оказалось, что во время рентгеновских вспышек фотонный индекс остается постоянным и равным ~2 для нейтронных звезд и ~1.85 для белых карликов. Теоретический расчет на основе решения уравнения переноса лучистой энергии с разными граничными условиями подтвердил результаты наблюдений. Результаты работы опубликованы в журнале World Journal of Physics.

Когда термоядерный синтез в звездах завершается и давление излучения больше не может противостоять силам гравитации, происходит «смерть» звезды. В зависимости от ее массы, после смерти звезда может превратиться в белый карлик (М < 1.4 M⊙, где M⊙ – масса Солнца), нейтронную звезду (1.4 M⊙ < М < 3 M⊙) или черную дыру (М > 3 M⊙). При этом получившийся объект является компактным — радиусы у белых карликов ~10 000 км, у нейтронных звезд ~20 км, у черных дыр соответствуют радиусу Шварцшильда (>8 км).

Ученым важно уметь различать нейтронные звезды и белые карлики по наблюдениям. Это можно сделать, зная плотность объекта — чайная ложка вещества белого карлика весила бы ~1 тонну, а вещества нейтронной звезды ~10^9 тонн. Массу астрономических объектов можно определить в двойных системах, когда работают законы Кеплера. Для этого нужно измерить кривую лучевых скоростей*, а также знать множество параметров системы. Этот метод работает лишь в небольшом количестве случаев. Поэтому актуальным становится определение объектов по свойствам их рентгеновского излучения.

В двойной системе может происходить перетекание вещества с одного объекта на другой, образуется аккреционный диск. Вещество в аккреционном диске за счет трения нагревается до очень высоких температур и излучает фотоны в рентгеновском диапазоне*. Этот процесс неравномерный — в зависимости от разных условий перетекания могут возникать вспышки этого аккрецирующего источника и источник резко становится более ярким.

Во время таких вспышек возможно определить природу объекта — форма диаграммы распределения зарегистрированных фотонов в разных диапазонах энергий (спектра) по данным детекторов сильно отличается для белых карликов и нейтронных звезд. Кроме того, размер объекта задает длительность вспышки — сверхмассивная черная дыра будет вспыхивать 10 лет, малая 2 года, а нейтронные звезды и белые карлики — еще меньше.

Вспышки наблюдали спутники NuSTAR, XMM-Newton, RXTE, BeppoSAX, Suzaku и ASCA. Наблюдаемые системы — 4U1636–53, 4U1728–34, 4U1700–37, 4U1705–44, 4U1820−30, GX3+1, X1658–298, GS1826–238, 1E1724–3045 (системы с нейтронными звездами) и SSCygni, UGem, VWHyi и SSAur (системы с белыми карликами).

«Мы предложили подход на основе сравнения отсчетов детекторов на участке максимума и участке спадания спектров источников. Отношение отсчетов с течением времени может меняться, и по этому изменению можно определить, какой это объект. Оказывается, что если с течением времени отношение остается в области единицы, то это соответствует излучению белого карлика, а если меняется в соответствии с определенной тенденцией, то излучению нейтронной звезды» — прокомментировала Елена Сейфина, д.ф.-м.н., в.н.с. ГАИШ МГУ.

Следующий этап исследования — поиск отличий в спектрах. Во время вспышки спектры объектов меняются, однако оказалось, что спектральный индекс Г* остается постоянным во время вспышки — для нейтронных звезд ~2, а для белых карликов ~1.85.

Для объяснения этого факта астрономы предложили теоретическую модель, основанную на обнаруженной во время наблюдений температуре поверхности объектов — у нейтронных звезд она составляла 2 кэВ, а у белых карликов — 0.5 кэВ. Эта разность в температурах поверхности объектов обуславливается разными свойствами поглощения и отражения, то есть на поверхности звезд различаются граничные условия. С учетом этого решение уравнения переноса лучистой энергии позволило вычислить индекс, который совпал с измеренным экспериментально. Это совпадение указывает на фундаментальность предложенной модели, согласно которой энерговыделение в аккреционном диске много меньше энерговыделения в переходном слое (самой внутренней области аккреционного диска).

*Кривая лучевых скоростей — зависимость лучевой скорости от времени. При обращении вокруг общего центра масс вектор скорости объекта может быть по-разному ориентирован относительно направления на Землю, что в силу эффекта Допплера влияет на лучевую скорость.

*При температуре ~10^8 K энергия фотонов будет ~10 кэВ.

*Индекс Г — показывает зависимость потока излучения от энергии фотонов в потоке излучения.