В рентгеновской астрономии квазипериодические колебания ( QPO ) — это способ, которым рентгеновский свет от астрономического объекта мерцает на определенных частотах. [1] В таких ситуациях рентгеновские лучи испускаются вблизи внутреннего края аккреционного диска , в котором газ вращается вокруг компактного объекта, такого как белый карлик , нейтронная звезда или черная дыра . [2]
Феномен QPO обещает помочь астрономам понять самые внутренние области аккреционных дисков, а также массы, радиусы и периоды вращения белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. QPO могли бы помочь проверить теорию общей теории относительности Альберта Эйнштейна , которая делает предсказания, которые больше всего отличаются от предсказаний ньютоновской гравитации , когда гравитационная сила самая сильная или когда вращение самое быстрое (когда в игру вступает явление, называемое эффектом Лензе-Тирринга ). Однако различные объяснения QPO остаются противоречивыми, а выводы, сделанные в результате их исследования, остаются предварительными.
QPO идентифицируется путем определения спектра мощности временного ряда рентгеновских лучей. Ожидается постоянный уровень белого шума в результате случайного изменения выборки света объекта. Системы, демонстрирующие QPO, иногда также демонстрируют непериодический шум, который проявляется в виде непрерывной кривой в спектре мощности. Периодическая пульсация проявляется в спектре мощности как пик мощности ровно на одной частоте ( дельта-функция Дирака при достаточно длительном наблюдении). С другой стороны, QPO выглядит как более широкий пик, иногда лоренцевой формы .
Какие изменения со временем могут вызвать QPO? Например, спектр мощности колеблющегося выстрела выглядит как непрерывный шум вместе с QPO. Колебательный выстрел — это синусоидальное изменение, которое начинается внезапно и затухает по экспоненте. Сценарий, в котором колеблющиеся выстрелы вызывают наблюдаемые QPO, может включать «сгустки» газа на орбите вокруг вращающейся слабо намагниченной нейтронной звезды. Каждый раз, когда капля приближается к магнитному полюсу, увеличивается количество газа и усиливается рентгеновское излучение. В то же время масса капли уменьшается, и колебания затухают.
Часто спектры мощности формируются из нескольких временных интервалов, а затем суммируются, прежде чем QPO станет статистически значимым.
QPO были сначала обнаружены в системах белых карликов, а затем в системах нейтронных звезд. [3] [4]
Сначала было обнаружено, что системы нейтронных звезд имеют QPO и относятся к классу (источники Z и источники на атоллах), о пульсациях которых не было известно. В результате периоды вращения этих нейтронных звезд были неизвестны. Считается, что эти нейтронные звезды имеют относительно слабые магнитные поля, поэтому газ не падает в основном на их магнитные полюса, как при аккрецирующих пульсарах . Поскольку их магнитные поля настолько слабы, аккреционный диск может подойти очень близко к нейтронной звезде, прежде чем его разрушит магнитное поле.
Видно, что спектральная переменность этих нейтронных звезд соответствует изменениям QPO. Было обнаружено, что типичные частоты QPO находятся между примерно 1 и 60 Гц . Самые быстрые колебания были обнаружены в спектральном состоянии, называемом Горизонтальной ветвью, и считалось, что они являются результатом совместного вращения материи в диске и вращения коллапсирующей звезды («модель частоты биений»). Считалось, что во время нормальной и вспышечной ветвей звезда приближалась к своей эддингтоновской светимости , при которой сила излучения могла отталкивать аккрецирующий газ. Это может привести к совершенно другому типу колебаний.
Наблюдения, начавшиеся в 1996 году с помощью Rossi X-ray Timing Explorer, смогли обнаружить более быструю изменчивость, и было обнаружено, что нейтронные звезды и черные дыры испускают рентгеновские лучи, имеющие QPO с частотами до 1000 Гц или около того. Часто встречались «твинпиковые» QPO, в которых появлялись два колебания примерно одинаковой мощности с большими амплитудами. Эти более высокочастотные QPO могут демонстрировать поведение, аналогичное поведению более низкочастотных QPO. [5]
QPO можно использовать для определения массы черных дыр . [6] Этот метод использует взаимосвязь между черными дырами и внутренней частью окружающих их дисков, где газ движется по спирали внутрь, прежде чем достичь горизонта событий. Горячий газ скапливается возле черной дыры и излучает поток рентгеновских лучей, интенсивность которого варьируется по шаблону, повторяющемуся через почти регулярные промежутки времени. Этот сигнал является QPO. Астрономы давно подозревали, что частота QPO зависит от массы черной дыры. Зона скопления находится близко к маленьким черным дырам, поэтому часы QPO тикают быстро. По мере увеличения массы черных дыр зона скопления выдвигается дальше, поэтому часы QPO тикают все медленнее и медленнее.