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.

Юрий 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.

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

Doroshenko, V., Poutanen, J., Tsygankov, S.S. et al. Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry. Nat Astron (2022).

26.10.2022 Powerful Neutron Star’s Behavior Surprises IXPE Researchers. Пресс-релиз NASA

Лаборатория фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики ИКИ РАН.

Источник: ИКИ РАН.