Пояснительная записка
| Название научного проекта: | Исследование квазипериодических осцилляций рентгеновского излучения компактных астрофизических объектов |
| Целевая научно-техническая программа | «Астрофизические исследования звездных и планетных систем» |
| Приоритет: | Интеллектуальный потенциал страны |
| Сроки реализации: | 2015- 2017гг. |
| Объем финансирования в целом: | 197 948,45 тыс.тенге |
| в том числе на 2015г.: | 65 113,69 тыс.тенге |
| Научный руководитель, PhD __________________________ Бошкаев К.А. |
Алматы – 2014
Пояснительная записка
Целевая научно-техническая программа
«Астрофизические исследования звездных и планетных систем»
Проект «Исследование квазипериодических осцилляций рентгеновского излучения компактных астрофизических объектов»
Срок реализации – 2015-2017гг.
Введение
В рентгеновской астрономии, квазипериодическая осцилляция (КПО) – это явление изменения (мерцания), в пределах некоторых частот, рентгеновского излучения от астрономического объекта. В таких случаях, рентгеновские лучи излучаются вблизи внутреннего края аккреционного диска, в котором газ закручивается на компактный объект, такой как, белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра.
Исследование квазипериодических осцилляций позволяют астрономам понять процессы, происходящие во внутренних областях аккреционных дисков и рассчитать массы, радиусы, периоды вращения белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Квазипериодические осцилляции дают возможность проверить предсказания эйнштейновской общей теории относительности, отличающиеся от результатов ньютоновской гравитации при сильных гравитационных полях или при быстрых вращениях (когда вступает в силу явление, называемое эффектом Лензе-Тирринга). Тем не менее, различные объяснения квазипериодических осцилляций остаются спорными, а выводы из их исследования – предварительными.
Наблюдения, начавшиеся в 1996 году на орбитальной рентгеновской обсерватории Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), обнаружили быстрые переменности, и было установлено, что нейтронные звезды и черные дыры испускают рентгеновские лучи, которые имеют КПО с частотами до 1000 Гц и выше. Также были найдены КПО, в которых проявляются два колебания примерно одной мощности. Этим показано, что высокочастотные КПО могут коррелировать с низкочастотными [1].
КПО могут быть использованы для определения массы черных дыр [2]. Метод использует связь между черными дырами и внутренней частью окружающих их дисков, где газ движется по спирали в направлении черной дыры, не достигая горизонта событий. Горячий газ накапливается вблизи черной дыры и излучает поток рентгеновского излучения, с интенсивностью, которая изменяется определенным образом. Такое явление повторяется периодически, через почти равные промежутки времени. Излучение, которое при этом образуется и есть КПО. Астрономы давно подозревали, что частота КПО зависит от массы черной дыры, и теоретически это было показано в нескольких работах, но, тем не менее, требуются дальнейшие подробные исследования в этом направлении.
Полученные результаты будут иметь существенное влияние на понимание природы компактных объектов и физики в окрестности маломассивных рентгеновских двойных систем, которые являются источниками квазипериодических осцилляций.
Таким образом, в предлагаемом Проекте будут исследованы квазипериодические осцилляции от маломассивных рентгеновских двойных систем (Low Mass X-Ray Binaries). В рамках общей теории относительности (ОТО) будут исследованы приближенные и точные решения уравнений Эйнштейна для описания устойчивых конфигураций компактных объектов. В результате наших исследований будут вычислены основные параметры компактных объектов, такие как масса, радиус, угловой момент, период вращения, квадрупольный момент и т.д., которые необходимы для нахождения уравнений состояния вещества, из которого состоят компактные объекты, а также исследованы физические явления, возникающие в режиме сильных гравитационных полей.
Цели и задачи проекта
Цель проекта – Извлечение из наблюдаемых квазипериодических осцилляций компактных объектов (белых карликов и нейтронных звезд) параметров, для сравнения с теоретическими расчетами.
Задачи проекта на 2015-2017 годы:
- Исследование сильных гравитационных полей вблизи компактных объектов;
- Вычисление с теоретической точки зрения основных параметров компактных объектов;
- Вывод формул для фундаментальных частот пробного тела в поле вращающегося деформированного компактного объекта;
- Извлечение из наблюдаемых квазипериодических осцилляций компактных объектов параметров для сопоставления с теоретическими расчетами.
Для достижения цели данного проекта в 2015-2017 годах будут выполнены следующие задачи:
Этап 1: 2015 год
Задача 1: Исследование приближенных и точных решений уравнений Эйнштейна для статических и вращающихся нейтронных звезд.
Этап 2: 2016 год
Задача 2: Вычисление параметров компактных объектов в формализме Хартла-Торна для исследования устойчивости вращающихся белых карликов и нейтронных звезд.
Этап 3: 2017 год
Задача 3: Вывод фундаментальных частот пробных тел в поле вращающегося деформированного компактного объекта.
Ожидаемые результаты на 2015-2017 годы:
- Исследование устойчивости белых карликов и нейтронных звезд относительно неустойчивостей общей теории относительности, выброса массы, обратного бета-распада, и осесимметричной секулярной и динамической неустойчивостей.
- Вычисление максимальных статических и вращающихся масс для белых карликов и нейтронных звезд в рамках общей теории относительности. Вычисление минимального периода вращения белых карликов и нейтронных звезд. Изучение влияния квадрупольного момента на движение пробных частиц в общей теории относительности.
- Исследование наблюдаемых квазипериодических осцилляций. Получение фундаментальных частот пробного тела. Рассмотрение возможности экспериментальной проверки результатов теоретических исследований.
Научная новизна и практическая значимость проекта
- Новизна исследований:
В связи с быстрым развитием релятивисткой астрофизики, начиная со второй половины 20 века, становится все более актуальным изучение проблем общей теории относительности. Для этого требуется полномасштабное исследование проблем, связанных с движением материи (тел, электромагнитных волн, космогонии планетной системы, и т.д.) рамках в общей теории относительности.
В предлагаемом проекте рассматривается одна из центральных задач общей теории относительности - проверка предсказаний ОТО для сильных полей тяготения. Релятивистские объекты с сильными гравитационными полями, такие как белые карлики и нейтронные звезды, дают возможность наблюдения многих существенных эффектов, которые предсказываются теоретически. Так называемые квазипериодические осцилляции вокруг компактных объектов могут дать вполне достоверные сведения о параметрах нейтронных звезд, могут позволить выбрать более реалистичные уравнения состояния, и, в конце концов, проверить адекватность ОТО для сильных полей. В этом направлении ведутся интенсивные работы [1-13]. Мы же будем исходить из моделей Стела и Виетри [2, 6, 9], где квазипериодические осцилляции интерпретируются как эпициклические частоты пробных тел в поле компактных объектов. Существуют и другие очень важные проблемы, такие как влияние квадрупольного момента на движение пробных частиц в приливных взаимодействиях тесных двойных систем, в гравитационных излучениях компактных объектов и т.д. [14-22].
Новизна, в сравнении с ранними исследованиями в этом направлении, заключается в том, что в рамках данного Проекта впервые будут исследоваться новые модели нейтронных звезд и белых карликов, полученные на основе уравнений Эйнштейна-Максвелла-Томаса-Ферми [23], с учетом всех фундаментальных типов взаимодействия [24].
Следует отметить, что в последние годы (2010-2013) принципиально важные новые научные результаты были получены специалистами КазНУ имени Аль-Фараби в области общей теории относительности. Они включают в себя: модификацию решения Фока в случае вращающейся деформированной массы; исследование движения пробных частиц в пространстве-времени Хартла-Торна; вычисление приливных показателей в пространстве-времени Кеведо-Машхун и другие. Эти результаты были опубликованы в рецензируемых международных журналах, таких как Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Physical Review D, Nuovo Cimento B, Classical and Quantum Gravity.
Кроме того, для описания белых карликов было введено новое уравнение состояния [25] - релятивистское уравнения состояния Фейнмана-Метрополиса-Теллера. Оно обобщает известные уравнения состояния Чандрасекара и Салпитера [26, 27], в результате чего, массы белых карликов оказываются меньше, и радиусы больше, чем у Чандрасекара и Салпитера [25, 26]. Эти новые данные могут найти свое непосредственное практическое применение в астрономии, астрофизике и в космологии.
Работы специалистов по теории относительности в Казахстане были оценены выдающимися учеными, как Руффини, Пирагас, Кэведо, Владимиров и другие. Все основные результаты исследований были опубликованы как в местных, так и в международных журналах и в ряде книг зарубежных ученых.
Резюмируя, можно считать, что предлагаемый Проект соответствует критерию новизны исследований.
- Значимость проекта в национальном и международном масштабе
Открытие так называемых аномальных рентгеновских пульсаров (АРП) и источников мягких повторяющихся гамма-всплесков (МПГВ) подвергло испытанию все существующие теории нейтронных звезд. Было предложено несколько теоретических моделей для описания их рентгеновского и гамма излучения. Предложенная нами и нашими коллегами в Европе и Южной Америке модель позволяет объяснить эти наблюдаемые явления [28].
Эти исследования показывают, что свойства аномальных рентгеновских пульсаров и источников мягких повторяющихся гамма-всплесков могут быть лучше объяснены в рамках массивных быстро вращающихся сильно намагниченных белых карликов [28].
Предложенные нами и нашими коллегами идеи вызывают большой научный интерес во всем мире и имеют важное прикладное значение.
Исследования по квазипериодическим осцилляциям проводятся во всем мире с использованием самых передовых технологий и современных космических рентгеновских телескопов. Квазипериодические осцилляции (КПО) впервые были обнаружены в системах с белыми карликами, а затем в системах с нейтронными звездами [3,4]. Системы с нейтронными звездами, у которых были выявлены КПО, принадлежали классу источников Z и Atoll, и было неизвестно, есть ли у них пульсации. Поэтому периоды вращения нейтронных звезд также не были известны. Считается, что эти нейтронные звезды имеют относительно слабые магнитные поля, поэтому газ не может, как в аккрецирующих пульсарах, падать в области их магнитных полюсов. Их магнитные поля настолько слабы, что аккреционный диск может приблизиться очень близко к нейтронной звезде, прежде чем разрушится магнитным полем.
- Cоциальный спрос, экономическая и индустриальная заинтересованность в реализации проекта и получении его результатов, стратегическая значимость проекта
Социальный спрос обусловлен получением новых знаний в области рентгеновской астрономии и релятивистской астрофизики. Научные нужды по предъявленной в проекте теме обусловлены нерешенными фундаментальными проблемами в релятивистской астрофизике и физике компактных объектов, такими как: механизмы формирования квазипериодических осцилляций в окрестностях компактных объектов, генерирование сверхсильных электромагнитных полей, а также выявление реалистичных уравнений состояний сверхплотного вещества. Что касается технологических нужд, то в данном проекте они задействованы лишь косвенно – проводимые работы имеют определенное отношение к развитию наших преставлений о компактных объектах. Проект не имеет коммерческой ценности и направлен на развитие современной науки о звездах.
- Влияние полученных результатов на развитие науки и технологий и ожидаемый социальный и экономический эффект
Решение поставленных в проекте задач поможет продвинуться нам в понимании механизмов формирования квазипериодических осцилляций. Предлагаемые исследования не имеют коммерческой выгоды в ближайшей перспективе. Они нацелены на изучение компактных объектов (аномальных рентгеновских пульсаров и источников повторяющихся гамма всплесков) и получение новых знаний в области релятивистской астрофизики и ядерной астрофизики. Молодые исполнители проекта (около 70% состава) повысят квалификацию в области вычислительной астрофизики и получат опыт работы в команде.
Ожидаемые социальные эффекты: подготовка высококвалифицированных специалистов в области теоретической физики и релятивисткой астрофизики в Казахстане; повышение статуса научных исследований, проводимых в Казахстане; вклад в развитие понимания природы компактных объектов, таких как белые карлики и нейтронные звезды.
Исследования в данном направлении ведутся в нескольких научных центрах и университетах: Римский Университет “Sapienza” (Рим, Италия), International Center for Relativistic Astrophysics Network (ICRANet) (Пескара, Италия), University of Nice (Ницца, Франция) и др.
Научная необходимость в данной области знаний заключаются в том, что проблема изучения компактных объектов является наиболее важной в современной релятивистской астрофизике.
- Описание отличия Проекта от существующих аналогов
Принципиальное отличие предлагаемого Проекта от исследований, проводимых в этом направлении, заключается в том, что для исследования компактных объектов и явлений, происходящих в их окрестностях, мы намереваемся непосредственно исследовать решения уравнений Эйнштейна, типа Хартла-Торна и Кэведо-Машхун (с учетом квадрупольного момента), в отличие от предыдущих работ, в которых квадрупольный момент пренебрегается для математической простоты.
Методы исследования
Описание научных методов
Все расчеты в рамках общей теории относительности осуществляются методами дифференциальной геометрии. Для точных (аналитических) решений уравнений Эйнштейна существуют несколько методов, которые обобщены в книге Стефани и соавторов [29]. В случае приближенных решений существуют несколько методов, таких как формализм Фока [30-35], формализм Хартла-Торна [36,37] и т.д. с привлечением теории возмущения, метода последовательных приближений и многих других математических методов. Методы Фока [30-35] дают возможность вывести уравнения движения протяженных тел, позволяют учитывать внутреннюю структуру и форму тела, которые особенно важны при рассмотрении вопроса о собственном вращении тел в ОТО.
В настоящее время в целях выполнения анализа в ОТО (для решения задач ОТО, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями) ученые всего мира пользуются разными математическими и прикладными пакетами, например, Mathematica 8 и выше, Maple 14 и выше; языки программирования, такие как C + +, FORTRAN и т.д. В связи с этим возникли новые сферы исследования, такие как численная общая теория относительности, вычислительная астрофизика и т.д., где можно запускать симуляции для воспроизведения явлений, происходящих в космосе.
Следует отметить тот факт, что существуют проблемы при расчете тесных двойных систем [14-22], когда необходимо учитывать динамику формы, приливное взаимодействие (деформацию) и внутреннее движение, и поэтому приходится вводить много параметров, полученных из наблюдений. Помимо этого, если учесть внешнюю среду компактных объектов, движение пробных частиц и вращение аккреционного диска в поле этих объектов, то обычно приходится выполнять анализ только численно.
Обоснование выбранного подхода
Хотя прошло сто лет со времени создания ОТО, однако, до сих пор не утихают споры вокруг вопроса об интерпретации (толковании) этой теории. Фок, когда то писал: «Надо Общую теорию относительности превратить из теории преимущественно формальной в теорию физическую». В нашем проекте так же затрагивается этот принципиальный вопрос.
Что же касается предлагаемого проекта, то нами уже предложен ряд новых подходов к выводу уравнений состояний нейтронных звезд, модификации решения Фока в случае вращающейся деформированной массы; исследование движения пробных частиц в пространстве-времени Хартла-Торна; вычисление приливных показателей в пространстве-времени Кеведо-Машхун и др. Все эти результаты были опубликованы в рецензируемых международных журналах, таких как Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Physical Review D, Nuovo Cimento B, Classical and Quantum Gravity.
В процессе реализации Проекта предполагается получить описание устойчивых конфигурации компактных объектов с учетом вращения и деформации. Будут рассмотрены возможности экспериментальной проверки результатов теоретических исследований и возможные практические применения полученных решений.
Критические точки, альтернативные пути реализации проекта
Критической точкой при реализации данного Проекта является извлечение из наблюдаемых квазипериодических осцилляции компактных объектов параметров и сопоставление их с теоретическими расчетами. Альтернативными путями реализации проекта являются методы предложенные группой Титарчука и др [10, 11].
Используемые в рамках Проекта способы обеспечения соблюдения принципов научной этики.
Руководители проекта обязуются обеспечивать и соблюдать принципы научной этики – поддерживать высокие стандарты интеллектуальной честности и недопущения фабрикации научных данных, фальсификации, плагиата, ложного соавторства, использования отдельными участниками коллективных исследований, данных и выводов, полученных в исследованиях, без согласования с другими участниками.
Исследований, проводимых с участием людей и животных, в заявленном проекте не планируется.
Права на интеллектуальную собственность работников, принимавших участие в проведении исследований в долях соответствующих затратам рабочего времени и уровню квалификации будут защищены авторскими свидетельствами, патентами и иными правами в соответствии с законодательством Республики Казахстан.
Все члены исследовательской группы будут задействованы в реализации проекта согласно календарному плану. Срок занятости в проекте всех членов исследовательской группы – 3 года.
Условия оформления и разделения прав интеллектуальной собственности на результаты исследования
Права на интеллектуальную собственность работников, принимавших участие в проведении исследований в долях соответствующих затратам рабочего времени и уровню квалификации будут защищены авторскими статьями и иными правами в соответствии с законодательством Республики Казахстан.