LAXPC
Ksenonowy licznik proporcjonalny o dużej powierzchni jest jednym z 4 instrumentów naukowych satelity Astrosat pracujących w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Instrument pracuje w szerokim zakresie energetycznym, 2 - 80 keV. Jego powierzchnia aktywna jest bardzo duża - sięga 6000 centymetrów kwadratowych przy energiach 3 - 20 keV i przekracza 2 400 centymetrów kwadratowych przy energiach wyższych, do 80 keV. Dzięki tym właściwością instrument jest bardzo przydatny do wykonywania badań zmienności czasowej źródeł rentgenowskich. Jest to główne urządzenie na satelicie przeznaczone do tego celu. Wraz z instrumentem SXT pracującym w zakresie energii niższych oraz CZTI wrażliwych na promieniowanie o energiach wyższych jest również bardzo przydatny do szerokopasmowej spektroskopii rentgenowskiej. Rozdzielczość energii tego instrumentu jest średnia (14 - 18%), jednak jego rozdzielczość czasowa i absolutna dokładność czasowa jest wysoka (10 ms). Po zakończeniu amerykańskiej misji RXTE jest to jedyny instrument rentgenowski pozwalający na wykonywanie badań zmian czasowych porównywalnych do wykonywanych za pomocą jego urządzenia PCA (Proportional Counter Array). Może wykonywać analizy nowych rozbłysków oraz innych źródeł przejściowych wykrytych za pomocą instrumentu SSM lub innych satelitów. Charakteryzuje się ponadto szerszym zakresem energetycznym niż wszystkie poprzednie instrumenty rentgenowskie o dużej powierzchni. Tak więc umożliwia analizy wszystkich typów zmienności czasowej w szerszym paśmie spektralnym, co umożliwia nałożenie lepszych ograniczeń na modele różnorodnych obiektów i zjawisk astrofizycznych. Obszar efektywny w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego jest kilkakrotnie większy niż w wypadku wszystkich innych instrumentów rentgenowskich. Umożliwia to lepsze próbkowanie procesów fizycznych powodujących emisję w zakresie twardego promieniowania X, zwłaszcza procesów o charakterze czasowym. Dzięki wyposażeniu satelity w inne instrumenty rentgenowskie których zakresy energetyczne są mniejsze i większe LAXPC pozwala na szerokopasmową spektroskopię umożliwiającą nałożenie lepszych ograniczeń na modele kontinuum spektralnego. Ponieważ satelita znajduje się na orbicie zbliżonej do równikowej instrument charakteryzuje się niskim poziomem tła pozwalając na rejestrowanie słabszych źródeł niż w przypadku innych misji. Wraz z pozostałymi instrumentami znajdującymi się na satelicie pozwala na wykonywanie unikalnych, równoległych obserwacji multispektralnych. Tak więc do jego podstawowych zastosowań zaliczają się: badania czarnych dziur; badania zmian czasowych źródeł rentgenowskich; badania nietremlanych komponentów w spektrogramach rentgenowskich pozostałości supernowych (Supernova Remnant - SNR) i gromad galaktyk; spektroskopia szerokopasmowa; badania pulsarów z użyciem cechy rezonansowego rozpraszania cyklotronowego (Cyclotron Resonance Scattering Feature - CRSF); badania oscylacji kwaziperidorycznych (Quasi Periodic Oscillations - QPO) w zakresie twardego promieniowanie rentgenowskiego; badania rozbłysków powodowanych przez procesy termojądrowe oraz przekształceń promieniowania rentgenowskiego; badania nadolbrzymów wykazujących szybkie pojaśnienia w zakresie rentgenowskim (Supergiant Fast X-ray Transients - SFXT); oraz dostarczenie danych ułatwiających wykrycie fal grawitacyjnych (Gravitational Wave - GW) z gwiazd neutronowych pobierających materię na drodze akrecji w rentgenowskich układach podwójnych.
Instrument pozwala na wyszukiwanie nowych czarnych dziur poprzez wykonywanie powtarzanych przeglądów niewielkich fragmentów Drogi Mlecznej. Ponadto pozwala na szczegółowe analizy czarnych dziur o masach gwiazdowych w zakresie około 3 - 10 mas Słońca w Drodze Mlecznej i pobliskich galaktykach oraz supermasywnych czarnych dziur o masach około 10^6 - 10^9 mas Słońca w jądrach galaktyk aktywnych (Active Galactic Nuclei - AGN).
Badania zmian czasowych źródeł rentgenowskich obejmują zarówno zmiany periodyczne (pulsacje i krzywe jasności układów podwójnych) jak i aperiodyczne (flarowanie, rozbłyski, mruganie i inne zmiany chaotyczne) w przypadku bardzo różnorodnych obiektów - pulsarów rentgenowskich, rentgenowskich układów podwójnych, koronalnych źródeł rentgenowskich, zmiennych kataklizmatycznych (Cataclysmic Variable - CV) i AGN. Są to pomiary fotometryczne charakteryzujące się wysoką rozdzielczością czasową (około 10 mikrosekund).
Badania nietremlanych komponentów w spektrogramach rentgenowskich SNR i gromad galaktyk są możliwe dzięki dokładnym pomiarom spektroskopowych w zakresie 3 - 80 keV łączonymi z obserwacjami teleskopu SXT w zakresie 0.3 - 8 keV. Umożliwiają określenie intensywności pola magnetycznego. W przypadku SNR pozwalają na badania procesów przyspieszania cząstek będących źródłem promieniowania kosmicznego.
Rentgenowska spektroskopia szerokopasmowa jest bardzo przydatna w trakcie różnorodnych badań, ponieważ w przypadku wielu obiektów astrofizycznych zachodzi jednocześnie wiele procesów fizycznych powodujących powstawanie emisji. Wśród źródeł rentgenowskich można wyróżnić tylko kilka typów produkujących promieniowanie rentgenowskie na drodze pojedynczego mechanizmu. Relatywna istotność poszczególnych procesów ich wzajemne zależności mogą objawiać się w szerokim zakresie spektralnym, dlatego też dla ich badań duże znaczenie ma zmierzenie korelacji poszczególnych komponentów spektralnych i wyznaczenie ich intensywności. Wielokrotne, złożone i wzajemnie zależne od siebie procesy wysokoenergetyczne są obserwowane bardzo często w przypadku czarnych dziur i pulsarów rentgenowskich zasilanych przez akrecję. Dlatego też instrument wraz z pozostałymi urządzenia satelity Astrosat znacznie przyczynia się do szczegółowych badań wielu rodzajów źródeł rentgenowskich takich jak AGN, SNR, CV, korony gwiazd i in.
Cecha CRSF występuje w przypadku zasilanych akrecyjnie gwiazd neutronowych o silnym polu magnetycznym (podwójnych pulsarów rentgenowskich). Charakteryzują się one silną emisją rentgenowską i indeksem fotonów ok. 1.0. Ich spektrum rentgenowskie charakteryzuje się często wyraźną przerwą przy energii 20 keV, powyżej której wykazuje spadek wykładniczy. Taki rodzaj spektrum jest produkowany przez odwrotne rozproszenie Comptona fotonów miękkiego promieniowania rentgenowskiego przez energetyczne elektrony w kolumnach akrecyjnych występujących nad biegunami gwiazd neutronowych. Interesującą właściwością spektrum około 20 źródeł tego typu są szerokie cechy absorpcyjne będące efektem cyklotronowego rozpraszania rezonansowego fotonów przez elektrony w warunkach obecności silnego pola magnetycznego na powierzchni gwiazdy (rzędu kilku wielokrotności 10^12 Gaussów). CRSF często charakteryzuje się harmonicznością, np w przypadku źródła 4U 0115+63 wykryto kilka składowych harmonicznych jednocześnie. Ich badania wymagają zastosowania detektorów pracujących w szerokim zakresie spektralnym. Cecha CRFS jest miarą intensywności pola magnetycznego, np CRFS przy 12 keV odpowiada B ok. 10^12 Gaussów. Jest to jedyna metoda pozwalająca na bezpośrednie pomiary pola magnetycznego gwiazd neutronowych. Ponadto analizy CRFS umożliwiają scharakteryzowanie akrecji zachodzącej na gwiazdach neutronowych - towarzyszących jej złożonych procesów fizycznych i geometrii kolumn aktecyjnych. Przejściowe pulsary rentgenowskie pozwalają na badania tych procesów w zależności od tempa przepływu masy a dotychczasowe analizy energii CRSF w zależności od jasności rentgenowskiej pokazały interesującą ujemną korelację tych parametrów w przypadku niektórych źródeł i korelację dodatnią w przypadku innych. Ponadto LAXPC umożliwia rozróżnienie faz pulsacji gwiazd neutronowych pozwalając na przeprowadzenie badań rotacji i struktury magnetycznej gwiazd neutronowych pod różnymi kątami. Jest to bardzo wydajny sposób badań procesów akrecyjnych zachodzących na gwiazdach neutronowych o bardzo silnych polach magnetycznych. Do tej pory badania zależności CRSF od fazy pulsacji wykonano tylko dla kilku najjaśniejszych pulsarów (np. pulsara Vela) za pomocą japońskiego satelity Suzaku, dzięki jego szerokiemu zakresowi spektralnemu. Wykazały one występowanie silnej zależności pomiędzy fazą pulsacji a parametrami CRSF, co wykazuje na wahania w stosunku energie pomiędzy podstawą a harmonicznymi CRSF. Tego typu badania mą być wykonywane bardzo efektywnie za pomocą LAXPC.
Oscylacje QPO rentgenowskich układów podwójnych są znane od prawie 30 lat. Zostały znalezione w przypadku prawie wszystkich rodzajów takich układów. Wyróżniono wśród nich szereg odmian zależnych od rodzaju obiektu kompaktowego w układzie (czarnej dziury, gwiazdy neutronowej o stosunkowo słabym polu magnetycznym czy gwiazdy neutronowej o silnym polu magnetycznym). Nawet w przypadku jednej klasy źródeł mogą występować różne typy QPO. Jednymi z najczęściej badanych i być może najbardziej wartościowymi naukowo QPO są oscylacje kilohertzowe w przypadku rentgenowskich układów podwójnych o małych masach z gwiazdami neutronowymi o słabym polu magnetycznym. Ponadto dużą wartość mają rzadko wstępujące QPO o wysokiej częstotliwości w przypadku układów zawierających czarne dziury. QPO obserwowano również w układać o średnich masach zawierających czarne dziury oraz w AGN. Chociaż QPO są bardzo bogate w obserwowalne cechy pozostają one jednym z najsłabiej poznanych aspektów rentgenowskich układów podwójnych. LAXPC dostarcza nowego sposobu badań tych zjawisk - w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. QPO wykazują trend we wzroście rms w zależności od wzrastającej energii, co najmniej powyżej 25 keV. Z powodu spadającej wraz z energią liczbą fotonów z rentgenowskich układów podwójnych LAXPC ze swoją dużą powierzchnią efektywną jest bardzo przydatny do takich badań. Ponadto dużą powierzchnia efektywna w połączeniu z wysoką zmiennością rms w fotonach źródeł w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego pozwala na obserwacje QPO w wysokim współczynnikiem sygnału do szumu.
Termojądrowe rozbłyski rentgenowskie wystękują w przypadku niektórych gwiazd neutronowych o słabych polach magnetycznych zasilanych akrecyjnie. Pomiary jasności oraz ewolucji spektrum rentgenowskiego w czasie takich rozbłysków są bardzo użyteczne do badań zależności pomiędzy masą a promieniem gwiazd neutronowych, co jest bardzo istnym zagadnieniem w astrofizyce. W czasie takich rozbłysków wykryto oscylacje kilohertzowe, których badania dostarczyły informacji na temat równań stanu gwiazd neutronowych oraz procesów wyzwalających rozbłyski i ich propagacji. Rozbłyski termojądrowe są również bardzo użyteczne do badań właściwości rentgenowskich układów podwójnych oraz fizyki przekształcania promieniowania rentgenowskiego w plazmie ośrodka. W przypadku rentgenowskich układów podwójnych o małych masach gwiazda towarzysząca często nie jest dominującym źródłem w zakresie optycznym. Emisja optyczna i UV częściowo pochodzi z dysku akrecyjnego (efekt tracenia energii) a częściowo jest efektem przekształcania promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z obiektu kompaktowego. Rozbłyski termojądrowe dostarczają unikalnego, zmiennego w czasie źródła promieniowania rentgenowskiego, a jednoczesne obserwacje rozbłysków rentgenowskich oraz przekształconych rozbłysków optycznych i UV są potężnym narzędziem pozwalającym na zrozumienie przekształcania promieniowania rentgenowskiego i parametrów układów podwójnych. Dodatkowym udogodnieniem dla takich badań są znane parametry orbit w niektórych układach podwójnych oraz możliwość obserwacji niektórych źródeł w różnych fazach orbitalnych. Utrudnieniem jest jednak konieczność prowadzenia obserwacji w różnych zakresach spektralnych i relatywna rzadkość występowania takich rozbłysków (średnio w odstępach kilku godzin). LAXPC pozwala na wykonanie różnorodnych badań układów o małych masach. Poza obserwacjami cech czasowych o wysokich częstotliwościach (periodycznych i aperiodycznych) pozwala on na ścisłe ograniczenie jasności bolometrycznej, zwłaszcza w czasie szczytu rozbłysku, gdy osiągana jest temperatura przekraczająca 2 keV. Uzyskiwane jednocześnie przez instrument UVIT dane w zakresie optycznym i UV są bardzo przydatne do badań przekształcania promieniowania rentgenowskiego. Do tej pory detekcja rozbłysków ze źródła EXO 0748-676 za pomocą monitora optycznego europejskiego satelity XMM-Newton pokazała, że takie obserwacje mogą być bardzo przydatne.
SFXT są nową klasą układów podwójnych będących źródłami rentgenowskimi, która wzbudziła duże zainteresowanie w ostatnich latach. W układach takich gwiazdą towarzyszącą jest nadolbrzym a emisja rentgenowska charakteryzuje się występowaniem szybko zanikających zjawisk przejściowych, obserwowanych w skalach od kilku minut do kilku godzin. Modele próbujące wyjaśnić obserwowane zachowanie wskazują na występowanie akrecji wokół gwiazdy neutronowej o silnym polu magnetycznym, akrecji z gęstych skupisk materii w wietrze gwiazdowym nadolbrzyma i in. W czasie gdy rozbłyski nie występują SFXT charakteryzują się emisją rentgenowską słabszą o dwa rzędy wielkości od emisji typowych rentgenowskich układów podwójnych o dużych masach w których występują nadolbrzymy (np. Vela X-1). Mała średnia jasność SFXT jest tłumaczona przez występowanie szerokich orbit i długich okresów obiegu w takich układach. Istnieją jednak pewne wyjątki, np. IGR J16479-4514 o krótkim okresie orbitalnym (3.2 dnia) które stawiają takie rozwiązanie pod znakiem zapytania. Chociaż jako obiekty kompaktowy w takich źródłach rozpatrywane są gwiazdy neutronowe o silnych polach magnetycznych to pulsacje wykryto tylko w kilku przypadkach. Obserwacje LAXPC są przydatne do ostrożnych i czułych poszukiwań pulsacji w przypadku pozostałych obiektów. W przypadku ich wykrycia będą one przydatne do określenia parametrów układów podwójnych.
Gwiazdy neutronowe zasilanie akrecyjne w rentgenowskich układach podwójnych są potencjalnym źródłem fal grawitacyjnych możliwych do wykrycia za pomocą detektorów naziemnych. Dla przykładu stosy akrecyjne występujące w przypadku szybko rotujących gwiazd neutronowych mogą być źródłem fal grawitacyjnych możliwych do wykrycia. Jednak poszukiwania fal grawitacyjnych o częstotliwościach kilku Hz w zbiorach danych z kilku miesięcy lub lat są uzależnione od znajomości parametrów rotacji i orbity danej gwiazdy neutronowej oraz ich zmian w analizowanym okresie. W przeciwnym razie przestrzeń parametrów poszukiwań jest bardzo szeroka. Naturalnie źródła o wysokim tempie akrecji są najprawdopodobniej silnymi źródłami fal grawitacyjnych, ale ich parametry rotacji i orbit są słabo ograniczone. Parametry te można najlepiej określić w przypadku pulsarów milisekundowych zasilanych akresycjnie, które z drugiej strony jednak charakteryzują niskim średnim długoterminowym tempem akrecji. Jeśli obserwacje LAXPC pozwolą na poprawienie czułości uzyskane za pomocą instrumenty PCA satelity RXTE to pozwolą na wykonanie pomiarów parametrów rotacji i orbit niektórych gwiazd neutronowych o szybszym tempie akrecji w rentgenowskich układach podwójnych o małych masach. Tym samym dostarczą danych wejściowych bardzo użytecznych podczas poszukiwań fal grawitacyjnych.
Wątek: Astrosat (kompendium) (Przeczytany 16824 razy)