Лаборатория фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики

Научные результаты:

• Развит метод моделирования атмосфер нейтронных звезд, нагреваемых падающим на них потоком быстрых ионов. Модель дает возможность уточнить массы и радиусы нейтронных звезд.

• Развит метод моделирования спектров излучения быстро-вращающихся нейтронных звезд. Модифицирован метод определения фундаментальных параметров нейтронных звезд по спектральной эволюции термоядерных вспышек на этапе падения блеска.

• Разработан новый метод прямой аппроксимации спектров рентгеновских барстеров моделями атмосфер нейтронных звезд и разработана процедура интерполяции модельных спектров.

• В рамках работ по исследованию физических свойств сильно-замагниченных нейтронных звезд впервые было обнаружено резкое изменение спектра при переходе от яркого к слабому состоянию объекта GX 304-1 и дана теоретическая интерпретация этому явлению.

• Из более чем 2000 пульсаров, наблюдаемых в радиодиапазоне, были отобраны около 40, которые также значимо излучают и в рентгеновской части электромагнитного спектра. Используя данные из обсерватории NICER, были отобраны 8 кандидатов, наилучшим образом подходящих для использования в качестве «реперных» источников для систем рентгеновской навигации.

• Была разработана и протестирована методика анализа переменности быстрой переменности (импульс-к-импульсу) в наблюдениях рентгеновских пульсаров, выполненных на различных обсерваториях. Методика позволяет исследовать свойства ансамблей импульсов и определять те фазы профиля импульса, в которых наблюдается нестохастическая переменность.

• Был разработан пакет программ для комплексного одновременного анализа совместных временных характеристик (кросс-корреляций, спектров мощности, когерентности, временных задержек) данных по нескольким рентгеновским каналам.

• Сформулированы требования к рентгеновскому детектору для исследования нейтронных звезд и навигации по рентгеновским пульсарам, определены его основные параметры.

• Сформулирована и оценена реализуемость требований к системе обеспечения тепловых режимов рентгеновских детекторов, предназначенных для исследования нейтронных звезд и навигации по рентгеновским пульсарам, устанавливаемых на космических аппаратах, предназначенных для функционирования на околоземных и высокоапогейных орбитах.

• Выполнена разработка топологии основных IP-блоков для специализированной интегральной схемы (ASIC), составляющих спектрометрический тракт. Выполнена оптимизация топологии IP-блоков на основании экстрактированных параметров.

• Выполнено объединение IP-блоков в единую микросхему SDDASIC3. Выполнена верификация топологии на соответствие правилам проектирования. Выполнена подготовка проекта ASIC к производству.

• Разработан эскиз конструкции детектора рентгеновского излучения на основе матрицы кремниевых дрейфовых детекторов.

• Развита модель чисто водородной атмосферы полярной шапки миллисекундного радиопульсара, нагреваемой потоком ультра-релятивистских электронов так называемым возвратным током магнитосферы. Показано, что угловое распределение нагретых моделей атмосфер может существенно отличаться от обычно используемого углового распределения выходящего излучения стандартных моделей атмосфер нейтронных звезд. В частности, потемнение к краю может сменяться на поярчание к краю. Эти эффекты должны быть учтены при моделировании профилей импульсов миллисекундных радиопульсаров, наблюдаемых инструментом NICER, и могут оказать существенное влияние на определение радиусов нейтронных звезд, получаемых в результате такого моделирования.

• Начата разработка самосогласованной модели аккреционной колонки в классических пульсарах с сильным магнитных полем B=10¹²-10¹³ Гс. Разработан численный код, основанный на Монте-Карло симуляциях переноса излучения. Затабулированы сечения основных процессов в сильном магнитном поле. Построены модели динамики и энергетики газа в колонке. Получены спектры в районе циклотронного резонанса. Исследована зависимость импульса, переданного газу в зависимости от его температуры в различных магнитных полях. Объяснена физическая природа веерной диаграммы направленности в сверхкритических пульсарах.

• Развит байесовский метод для моделирования фазово-разрешенных спектров миллисекундных пульсаров.

• Разработан математический аппарат и программное обеспечение для расчетов спектров от быстро вращающихся нейтронных звезд. Показано, как меняются цветовые поправки и факторы дилюции вследствие быстрого вращения. Предложен улучшенный «метод остывающего хвоста», который принимает во внимание быстрое вращение НЗ. Применяя его к барстеру SAX J1810.8-2609, получено значение радиуса НЗ (при М=1.5 солнечной массы) в интервале 11.5-12.0 км (68% достоверность).

• Предложена простая формула, которая аппроксимирует точные расчеты искривления лучей света в метрике Шварцшильда с точностью лучше, чем 0.06%.

• Разработан байесовский метод ограничения масс и радиусов НЗ с использованием как спектральной, так и временной информации от аккрецирующих миллисекундных пульсаров. Результаты показывают, что разработанный метод работает, и знание геометрии источника и наклонения наблюдателя из рентгеновской поляризации приводит к более точным ограничениям на массу и радиус нейтронных звезд.

• Исследовалась быстрая переменность профилей импульсов рентгеновских пульсаров с использованием ранее разработанной методики. Методика была применена к большой выборке систем, для которых были доступны архивные наблюдения обсерваторий RXTE и NuSTAR. Показано, что в рентгеновских пульсарах наблюдается сильная переменность импульс-к-импульсу, а сама форма импульса сильно зависит от интенсивности импульса, в том числе на коротких временных масштабах.

• Разработан математический аппарат, позволяющий определять параметры положения и движения космического аппарата и оценивать неопределенности этих параметров по сигналам рентгеновских пульсаров. Реализована программа наблюдений нескольких рентгеновских пульсаров. Начата обработка полученных наблюдательных данных.

• Проведены работы по установке технологических библиотек полупроводникового процесса XT018 фирмы X-Fab под САПР Tanner. Выполнялся перевод электрических схем блоков микросхемы SDDASIC3 из САПР Pyxis Schematic в САПР Tanner S-Edit. Выполнялось преобразование топологии микросхемы SDDASIC3 из САПР Pyxis Layout в САПР Tanner L-Edit.

• Выполнена разработка и изготовление макета для исследования свойств чувствительного элемента детектора и верификации параметров первой версии специализированной микросхемы SDDASIC3. Разработан стенд для проведения исследований параметров чувствительных элементов и специализированной микросхемы. Проведена аппаратная отладка составных частей макета и стенда. Созданы конфигурации для программируемых логических интегральных схем. Разработано программное обеспечение для микропроцессорных ядер реального времени PRU-ICSS и центрального процессора ARM Cortex-A8 блока управления стендом.

• Используя прямые и непрямые методы удалось определить напряженность магнитного поля в четырех рентгеновских пульсарах: XTE J1829−098, IGR J19294+1816, RX J0812.4–3114 и SXP4.78.

• Вариации периода пульсаций в системе GX 301−2 на масштабах орбитального периода позволили впервые обнаружить нейтронную звезду, вращающуюся в противоположном направлении относительно ее орбитального движения.

• В системе с аккрецирующим миллисекундным пульсаром IGR J17591−2342 удалость определить с высокой точностью все орбитальные параметры.

• Длительный мониторинг одного из самых медленновращающихся пульсаров SXP1062 позволил открыть неожиданное значительное ускорение вращения нейтронной звезды и ее взаимодействие с плотным поглощающим веществом при удалении от звезды-компаньона.

• Для очень яркого транзиента, GROJ1744−28, обнаружено, что спектр мощности его излучения резко отличается от канонической формы, а частота излома оказывается значительно выше, чем ожидалось на основе оценки магнитного поля по энергии циклотронной линии, что указывает на существование в аккреционном диске области с преобладанием радиационного давления и наличием сильной квадрупольной компоненты в магнитном поле нейтронной звезды.

• Недавнее открытие пульсирующих сверхярких источников рентгеновского излучения (ULX) показывает, что видимая светимость аккрецирующих НЗ может превышать Эддингтоновскую светимость в сотни раз. Показано, что большое усиление светимости из-за геометрической коллимации и высокая амплитуда пульсаций в значительной степени исключают друг друга, и только незначительная часть коллимированных ULX пульсаров может показать амплитуды пульсаций выше 10%. Расхождение между этим выводом и текущими наблюдениями указывает на то, что ULX пульсары не могут быть сильно коллимированы и их видимая светимость близка к реальной.

• Используя разработанное программное обеспечение (пакет поиска, отбора и передачи данных, пакет потоковой обработки данных, поиска пульсаций и т.д.), проанализированы данные мониторинговых наблюдений нескольких быстровращающихся пульсаров, выполненных за предыдущие два года инструментом NICER. Было разработано программное обеспечение для анализа кривых блеска пульсаров, полученных в наблюдениях телескопом ART-XC. В частности, была разработана методика приведения бортового времени к мировому (коррекция бортовых часов) и реализована процедура барицентрирования.

• В рамках проекта был запланирован и проведен ряд экспериментов, позволяющих отработать элементы космической навигации на отечественном рентгеновском телескопе ART-XC им. М.Н. Павлинского, установленном на борту орбитальной космической обсерватории «Спектр-РГ». Было организовано и проведено 11 серий наблюдений ряда быстровращающихся рентгеновских пульсаров телескопом ART-XC. Эти наблюдения, наряду со штатными измерениями параметров траектории космического аппарата (КА), позволили провести юстировку бортовых часов относительно мирового времени с миллисекундной точностью. Было показано, что приемлемые навигационные параметры спутника можно получать, используя только данные измерений пульсаров, что доказывает возможность создания системы автономной навигации КА по сигналам рентгеновских пульсаров. Опираясь на данные наблюдений ART-XC для каждого из пульсаров было не только показано, что можно определять время прихода импульсов с высочайшей точностью, но и были получены законы их вращения (эфемериды), положив тем самым начало работы по созданию и поддержанию национальной базы рентгеновских пульсаров, пригодных для нужд автономной навигации в дальнем космосе.

• В процессе выполнения НИР по разработке алгоритмов и программ определения орбиты космического аппарата по сигналам рентгеновских пульсаров был разработан математический аппарат, позволяющий определять параметры положения и движения космического аппарата и оценивать неопределенности этих параметров. В частности, были разработаны: алгоритмы расчёта значений момента прихода импульса (МПИ) для задачи определения орбиты КА; алгоритмы расчёта среднего значения МПИ по нескольким периодам сигнала рентгеновского пульсара для задачи определения орбиты КА; алгоритмы и программы определения орбиты КА по измеренным значениям МПИ; проведено моделирование измерений МПИ и проведены вычислительные эксперименты по определению орбиты КА.

• Для проведения исследований многоэлементного детектора рентгеновского излучения на основе кремниевых дрейфовых детекторов (КДД) был разработан прототип детектора.

• Проведены испытания прототипа чувствительного элемента детектора для оценки направления дальнейших работ по улучшению характеристик образцов детектора, необходимых для решения поставленных в проекте задач. Для блока КДД Э52410007.00.00, входящего в состав стенда, был разработан и изготовлен гермокорпус Э52410007.37.00, позволяющий проводить испытания ASIC и кремниевым дрейфовым детектором (КДД) в атмосфере сухого азота, предотвращающего негативное влияние окружающей среды на чувствительные элементы. С использованием стенда Э52410010.00.00 были проведены испытания микросхем SDDASIC3 совместно с КДД.

• Выполнено моделирование теплового рентгеновского спектра пульсара PSR B0656+14 различными моделями, описывающими излучающую поверхность замагниченной нейтронной звезды. Наблюдаемый фазово-усредненный спектр был получен рентгеновским телескопом eROSITA, расположенном на борту космической обсерватории СРГ. Были использованы три модели излучающей поверхности. В рамках первой модели предполагалось, что поверхность нейтронной звезды покрыта толстой водородной оболочкой, и локальные спектры пульсара описываются спектрами водородных замагниченных моделей атмосфер. Вторая использованная гипотеза предполагала, что нейтронная звезда покрыта конденсированной металлической поверхностью. Третья модель включала в себя кроме конденсированной поверхности еще и полярные шапки вблизи магнитных полюсов, покрытые геометрически тонкими водородными атмосферами.

• Исследовалась апериодическая переменность излучения для большой выборки аккрецирующих нейтронных звезд и промежуточных поляров. В частности, была исследована связь частоты изломов в их спектрах мощности с напряженностью их магнитного поля. Проводились детальные многоволновые наблюдения ряда рентгеновских пульсаров (4U 1901+03, V 0332+53, 2S 1845-024, SXP 1323, PSR B1259-63) с целью определения физических параметров как нейтронной звезды, так и двойной системы в целом. Удалось показать, что измеренная частота излома в спектре мощности пульсара Her X-1 соответствует дипольному магнитному полю в несколько 1Е11 Гс, то есть почти на порядок меньше, чем напряженность магнитного поля, соответствующая циклотронной энергии. Это расхождение было объяснено наличием сильных мультипольных компонент магнитного поля нейтронной звезды. В случае 4U 1901+03 впервые удалось продемонстрировать, что широкополосный рентгеновский спектр пульсара может быть хорошо описан с помощью модели двухкомпонентного континуума без линии поглощения на энергии 10 кэВ, что ставит под сомнение интерпретацию этой особенности как циклотронной линии. В пульсаре V 0332+53 впервые были обнаружены когерентные пульсации как флуоресцентной линии железа на энергии 6.4 кэВ, так и K-края нейтрального железа на энергии 7.1 кэВ. Оптические наблюдения пульсара 2S 1845-024 позволили отнести звезду-компаньон в системе к OB-сверхгигантам, находящуюся на расстояниях более ∼14 кпк. По темпу ускорения периода вращения источника SXP 1323 было оценено высокое значение напряженности его магнитного поля - B~(1-6)Е13 Гс. В случае гамма-громкой двойной системы с радиопульсаром PSR B1259-63 была обнаружена значительная задержка вспышки в ГэВ диапазоне, что было объяснено в рамках модели эмиссионного конуса.

• Создана численная модель, рассчитывающая отражение рентгеновского излучения аккреционной колонки от атмосферы нейтронной звезды. Модель локально считает перенос излучения методом Монте-Карло, учитывая такие элементарные процессы, как магнитное комптоновское рассеяния, тормозное и циклотронное излучение и поглощение. Для получения спектров, видимых удаленным наблюдателем, учитывались особенности распространения излучения с учетом эффектов ОТО в предположении Шварцшильдовской метрики. Выяснилось, что значительную роль в образовании спектра играет истинное поглощение излучения в атмосфере за счет тормозных процессов. В результате поглощения спектр отраженного излучения становится значительно жестче по сравнению со спектром падающего излучения, и в спектре образуется абсорбционная особенность, которая имеет сложную структуру. Отражение уменьшает степень линейной поляризации, но незначительно. Критическим для оценок поляризации оказывается учет влияния магнитосферы на распространение поляризованных фотонов.

• Разработана численная модель переноса излучения в низких состояниях светимости рентгеновских пульсаров. Модель основана на Монте-Карло симуляциях переноса излучения и итеративном поиске профилей температуры и плотности в атмосфере нейтронной звезды. С помощью полученной модели удается получить спектр и поляризацию излучения для удаленного наблюдателя. С помощью этой модели удалось подтвердить существование перегретого поверхностного слоя атмосферы нейтронных звезд при низких темпах аккреции и воспроизвести наблюдаемые спектры некоторых рентгеновских пульсаров в низких состояниях светимости.

• Были продолжены эксперименты по отработке элементов автономной космической навигации в условиях реального космоса. Были спланированы и проведены 13 серий наблюдений быстровращающихся рентгеновских пульсаров, после чего научные данные были обработаны с применением алгоритмов, разработанных на предыдущих этапах. Были проведены тесты несущей частоты временной метки телескопа ART-XC на предмет степени ее рассинхронизации по отношению к бортовой шкале времени на больших интервалах времени. Проведенные наблюдения пополнили базу данных эфемерид и профилей импульса пульсаров, которые могут быть использованы как реперные объекты системы рентгеновской навигации. Важнейшим результатом стало то, что удалось зарегистрировать с помощью телескопа ART-XC пульсации одного из самых быстровращающихся пульсаров PSR B1821-24 (период ~3 мс) и восстановить профиль его импульса. Тем самым было показано, что временное разрешение телескопа и его чувствительность к потоку позволяют отрабатывать практически все элементы системы автономной навигации, что демонстрирует тот факт, что отечественные технологии уже на сегодняшний день в достаточной степени удовлетворяют требованиям, необходимым для технической реализации проекта автономной навигации по рентгеновским пульсарам.

• Разработаны алгоритмы и программы определения параметров движения космических аппаратов (КА) на траекториях перелёта к планетам Солнечной системы по сигналам рентгеновских пульсаров с учётом дополнительных возмущений на движение КА. Представленные алгоритмы обработки навигационных измерений обеспечивают одновременное уточнение кинематического вектора состояния КА и уход бортовой шкалы времени. Описан математический стенд, предназначенный для проведения массового имитационного моделирования траекторий КА с использованием рентгеновской навигации в бортовом контуре управления.

• Предложена концепция двух детекторов рентгеновского излучения на основе матрицы кремниевых дрейфовых детекторов с элементами SDDplus и SDDexFet. Выполнено проектирование спектрометрического канала для обработки сигналов с ячеек SDDplus для ИС SDDASIC4. Начато проектирование спектрометрического канала для обработки сигналов с ячеек SDDexFet, который планируется также отработать в ИС SDDASIC4.  

• Проведена проработка концепции космического эксперимента-демонстратора функционирования элементов системы рентгеновской навигации (КЭРН). Проработаны несколько вариантов исполнения для регистрирующей рентгеновское излучение аппаратуры, системы зеркал, капиллярных коллиматоров, фокусирующих рентгеновское излучение на приемник. Окончательный вариант инструмента будет сформирован в зависимости от доступности элементной базы и степени готовности ряда критических технологий.

Образование и переподготовка кадров:

• 2 сотрудника лаборатории прошли стажировку в Университете Турку (Финляндия).

• Подготовлены и защищены 1 докторская и 2 кандидатские диссертации.

Сотрудничество:

• Университет Турку (Финляндия): совместные исследования по быстровращающимся нейтронным звездам и атмосферам радио пульсаров.

• Тюбингенский университет (Германия): совместные исследования по рентгеновским пульсарам и атмосферам нейтронных звезд.

• Лейденский университет (Нидерланды): совместные теоретические исследования по процессам в сильных магнитных полях.

• Nordic Optical Telescope (Испания), Южно-Африканская астрономическая обсерватория (ЮАР): совместные исследования компактных объектов по данным наземных и космических обсерваторий.