Рентгеновская поляриметрия - новое окно во Вселенную

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-12-00364

НазваниеРентгеновская поляриметрия - новое окно во Вселенную

Руководитель Филиппова Екатерина Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые слова черные дыры, нейтронные звезды, пульсары, аккреционные диски, рентгеновская поляриметрия

Код ГРНТИ41.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Двойные рентгеновские системы, содержащие черные дыры (ЧД) или нейтронные звезды (НЗ), излучают большую часть энергии в рентгеновском спектральном диапазоне. Ожидается, что это рентгеновское излучение будeт поляризованным, так как оно генерируется либо в результате комптоновского рассеяния, либо цикло-синхротронным механизмом в аккреционном диске, аккреционной ударной волне или пограничным слоем в случае НЗ, либо в джетах. Во всех перечисленных случаях модели предсказывают конкретные проявления поляризации излучения, которые можно использовать для получения строгих ограничений на процессы, протекающие в этих источниках. В непосредственной близости от ЧД сильная гравитация вызывает вращение плоскости поляризации, что приводит к характерному изменению угла поляризации в зависимости от энергии фотонов. Это уникальная особенность ЧД, которая позволяет измерять степень вращения (спин) ЧД, что позволит ограничить механизмы взрыва сверхновых. В сильно замагниченных НЗ (рентгеновских пульсарах и магнитарах) магнитное поле приводит к резким отличиям свойств распространения фотонов в различной поляризационной моде, что в конечном итоге приводит к почти 100% поляризации излучения. Вариации степени и угла поляризации в зависимости от фазы вращения пульсара позволяют исследовать геометрию магнитного поля, наклонение и физику излучающей области. Ранние рентгеновские поляриметрические наблюдения обсерваторией OSO-8 и более недавние, с помощью таких обсерваторий как INTEGRAL, Astrosat и балонного эксперимента PoGO+, были ограничены только парой самых ярких источников на рентгеновском небе, таких как Крабовидная туманность и аккрецирующая ЧД Cygnus X-1. Прогресс в этой области был ограничен чувствительностью и проблемами с калибровкой приборов. Однако, ситуация изменится в апреле 2021 года с запуском НАСА первого специализированного космического рентгеновского поляриметра — Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), который будет на два порядка более чувствительным, чем OSO-8. IXPE сможет измерять поляризацию до 1% в ярких рентгеновских источниках, таких как ЧД звездной массы, сверхмассивные ЧД (как сейфертовские, так и блазары), рентгеновские пульсары, классические радио пульсары, магнитары и остатки вспышек сверхновых. Участники проекта являются лидерами рабочей группы обсерватории IXPE по тематике аккрецирующих НЗ, отвечая за разработку моделей поляризации рентгеновского излучения от этих источников, а так же за планирование наблюдений. Мы также являемся членами рабочих групп по темам аккреции на ЧД звездной массы и сверхмассивные ЧД, что дает нам возможность использовать данные, ведущие к прогрессу в понимании самых компактных источников во Вселенной. Члены команды также активно участвуют в китайско-европейской рентгеновской миссии (eXTP, которая будет запущена в 2027 году). В частности, руководитель проекта является сопредседателем научной рабочей группы по физике сверхплотного вещества. Будущие наблюдения с этими обсерваториями безусловно приведут к крупным научным прорывам в целом ряде направлений. Однако, чтобы полностью использовать возможности IXPE и eXTP, необходимо разработать теоретические модели. В рамках предлагаемой программы мы разработаем модель ударной волны в аккрецирующих миллисекундных пульсарах, предсказывая ее поляриметрические свойства, и разработаем методы учета релятивистских эффектов, вызванных сильной гравитацией и быстрым вращением; мы вычислим поляриметрические свойства аккреционной колонки и горячих пятен в рентгеновских пульсарах (РП); Мы будем изучать поляриметрические свойства аккреционных дисков, используя модели атмосфер, учитывающие рассеяние и поглощение, а также моделировать поляризационные свойства горячих аккреционных потоков в жестком состоянии аккрецирующих ЧД. При условии успешного запуска IXPE в 2021 году мы будем наблюдать, анализировать и публиковать результаты по поляризационным свойствам аккрецирующих ЧД и НС. В частности, мы ожидаем, что данные по рентгеновских пульсарах позволят определить их наклонения и протестировать модель свободной прецессии. Поляриметрические данные IXPE о ЧД в их мягком состоянии позволят ограничить спин ЧД и проверить другие методы измерений спинов ЧД.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Поутанен Ю. Relativistic rotating vector model for X-ray millisecond pulsars Astronomy & Astrophysics, том 641, A166 (год публикации - 2020)
10.1051/0004-6361/202038689

2. Локтев В., Салми Т., Нятила Ё, Поутанен Ю. Oblate Schwarzschild approximation for polarized radiation from rapidly rotating neutron stars Astronomy & Astrophysics, том 643, А84 (год публикации - 2020)
10.1051/0004-6361/202039134

3. Салми Т., Локтев В., Корсман К., Балдини Л., Цыганков С., Поутанен Ю. Neutron star parameter constraints for accretion-powered millisecond pulsars from the simulated IXPE data Astronomy and Astrophysics (год публикации - 2021)
10.1051/0004-6361/202039470

4. Поутанен Ю., Веледина А., Бердюгин А, Бердюгина С., Джермак Х., Джонкер П., Кайава Дж., Косенков И., Кравтсов В., Пиирола В., Шреса М., Торес М., Цыганков С. Black hole spin-orbit misalignment in X-ray binary MAXI J1820+070 Science, Том 375, с. 874–876 (год публикации - 2022)
10.1126/science.abl4679

5. Локтев В., Веледина А., Поутанен Ю. Analytical techniques for polarimetric imaging of accretion flows in Schwarzschild metric Astronomy and Astrophysics, Том 660, статья А25 (год публикации - 2022)
10.1051/0004-6361/202142360

6. Кравцов В., Бердюгин А., Косенков И., Веледина А., Пиирола В., Куадир Ю., Бердюгина С., Саканой Т., Кагитани М., Поутанен Ю. Optical polarization signatures of black hole X-ray binaries Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, том 514, страницы 2479-2487 (год публикации - 2022)
10.1093/mnras/stac1470

7. Дорошенко В., Поутанен Ю., Цыганков С., и IXPE коллаборация Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry Nature Astronomy, Том 6, с. 1433-1443 (год публикации - 2022)
10.1038/s41550-022-01799-5

8. Кравчински Х., Мулери Ф., Довчак М., Веледина А. и IXPE коллаборация Polarized X-rays Constrain The Disk-Jet Geometry in the Black Hole X-ray Binary Cygnus X-1 Science, том 378, страницы 650-654 (год публикации - 2022)
10.1126/science.add5399

9. Маршал Х., Нг М., Рогантини Д., Хейл Дж., Цыганков С., Поутанен Ю., Коста Е., Зане С., Малакария С. и IXPE коллаборация Observations of 4U 1626-67 with the Imaging X-ray Polarimetry Explorer The Astrophysical Journal, том 940, статья 70 (год публикации - 2022)
10.3847/1538-4357/ac98c2

10. Цыганков С., Дорошенко В., Поутанен Ю. и IXPE коллаборация The X-ray polarimetry view of the accreting pulsar Cen X-3 The Astrophysical Journal Letters, том 941, статья L14 (год публикации - 2022)
10.3847/2041-8213/aca486

11. Фаринелли Р., Фабиани С., Поутанен Ю. и др. (коллаборация IXPE) Accretion geometry of the neutron star low mass X-ray binary Cyg X-2 from X-ray polarization measurements Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (год публикации - 2023)

Публикации