Астрономический журнал, 2022, T. 99, № 1, стр. 37-42

1. ВВЕДЕНИЕ

Магнетар представляет собой нейтронную звезду с мощным магнитным полем $ \sim {\kern 1pt} {{10}^{{13}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{14}}}$ Гс, теоретическое предсказание которой было сделано еще в 1992 г. [1, 2]. В 1979 г. в гамма- и рентгеновском диапазонах был зарегистрирован яркий сигнал, предположительно испущенный источником в Большом Магеллановом Облаке, и по свойствам напоминающий позже открытые магнетары [3]. Первый галактический магнетар, SGR 1900+14, был открыт в 1998 г. при наблюдении мощной вспышки также в гамма- и рентгеновском диапазонах [4].

Предполагалось, что магнетары являются объектами, излучающими только в двух диапазонах – гамма и рентгеновском. Но в 1997 г. Кузьминым впервые был зарегистрирован сигнал в радиодиапазоне на частоте 102 МГц от известного источника PSR J0633+1746 (Геминга) [5]. На данный момент ученым известен 31 магнетар [6].

Впервые вспышка от источника SGR 1935+2154 была зарегистрирована в 2014 г. [7]. На космической обсерватории “Chandra” наблюдались пульсации SGR 1935+2154 на уровне 10$\sigma $, что позволило определить источник как кандидат в магнетары. Объект также наблюдался с помощью аппарата Konus-Wind [8]. Оценка продолжительности импульса, равная 1.7 с, и измерение флюенса $ \sim {\kern 1pt} 2.5 \times {{10}^{{ - 5}}}$ эрг см^–2 позволили отнести источник к объектам, имеющим редкие промежуточные вспышки в мягком гамма-диапазоне. В результате наблюдений остатка галактической сверхновой G57.2+0.8 на частотах 1420 и 408 МГц Козес и др. отождествили его с SGR 1935+2154, поскольку оценка возраста, расстояния, поляризации и спектрального индекса остатка показала, что объекты физически связаны [9]. В ноябре 2019 г. аппарат Konus-Wind зарегистрировал повышенную активность объекта [10]. Пиковая энергия импульсов в гамма-диапазоне достигала $29.4 \pm 1.9$ кэВ. Вплоть до конца апреля 2020 г. иная вспышечная активность не была зарегистрирована.

27 апреля 2020 г. телескопами Swift и Fermi/GMB были вновь зарегистрированы вспышки от SGR 1935+2154 [11]. Уникальность события состояла в том, что за первые 24 мин наблюдений было зарегистрировано около 35 отдельных импульсов. При более ранних наблюдениях в пик активности регистрировалось всего несколько вспышек. Менее чем через сутки, 28 апреля, от источника на частоте 400–800 МГц радиотелескопом CHIME/FRB впервые было зарегистрировано мощное импульсное радиоизлучение [12]. Оценка меры дисперсии импульса составила $DM = 332.8$ пк/см³, что согласуется с ранее полученными оценками модели плотности электронов на луче зрения в Галактике NE 2001 [13]. Сигнал имел структуру, состоящую из двух импульсов шириной около 5 мс, разделенных временны́м интервалом около 30 мс. Благодаря дальнейшим наблюдениям SGR 1935+2154 на STARE2 на частоте 1.4 ГГц была зарегистрирована вспышка, флюэнс которой составил >1.5 МЯн мс [14]. Этот факт позволил утверждать, что явления подобного рода хорошо вписываются в модели, описывающие быстрые радиовсплески (FRBs), впервые открытые в 2007 г. и связанные с внегалактическими объектами [15, 16].

Впервые периодическое излучение от SGR 1935+2154 в радиодиапазоне было зарегистрировано радиотелескопом MNC (Medicina Northern Cross) на частоте 408 ± 16 МГц [17]. По этим наблюдательным данным периодический сигнал с мерой дисперсии $DM = 316 \pm 18$ пк/см³ и рассеянием порядка 100 мс имеет период $P = 3.24760$ с. Кроме того, периодическое излучение было обнаружено радиотелескопом FAST на частоте 1.25 ± 0.46 ГГц [18].

Поскольку магнетар SGR 1935+2154 попадает в поле зрения радиотелескопа БСА ФИАН, было принято решение провести мониторинг источника, начиная с сентября 2019 г., по февраль 2021 г. В результате 2 сентября 2020 г. была обнаружена вспышка на частоте 111 МГц, полные характеристики которой приведены в табл. 1.

2. АППАРАТУРА

Радиотелескоп БСА ФИАН представляет собой инструмент меридианного типа. Это антенна метрового диапазона волн, имеющая самую высокую мгновенную чувствительность. Рабочий диапазон инструмента 109–111.5 МГц. Флуктуационная чувствительность радиотелескопа в полосе приема составляет 140 мЯн с учетом временнóго разрешения 0.1 с [19]. В качестве регистрирующего устройства используется многоканальный цифровой приемник, благодаря которому запись сигнала ведется в двух режимах. Первый режим записи производится с низким частотным разрешением в шести частотных каналах и полосой приема 415 кГц каждый. В данном режиме временнóй интервал между отсчетами составляет 100 мс. При регистрации сигнала во втором режиме используются 32 частотных канала с полосой приема 78 кГц и временны́м разрешением 12.5 мс. Оба режима формируются цифровым методом процессором БПФ на 512 каналов.

Радиотелескоп БСА ФИАН имеет две диаграммы направленности: стационарную (ДН-3) и управляемую (ДН-1). ДН-3 перекрывает область неба от –9° до 55° по склонению и используется для наблюдения большого числа межпланетных мерцаний компактных радиоисточников. Ширина луча этой диаграммы направленности по половинному уровню зависит от склонения, на котором находится наблюдаемый источник, и расположена в пределах от 24$\prime $ до 48$\prime $. Время прохождения источника через диаграмму направленности составляет 3.3–5.8 мин. ДН-1 используется для наблюдения пульсаров.

Отдельно следует отметить большое поле зрения БСА ФИАН, ~50 кв. гр. Максимальная эффективная площадь антенны составляет 47 000 м² в зените и уменьшается к горизонту пропорционально $cosz$, где $z$ – зенитное расстояние. Температура собственных шумов системы колеблется в пределах 550–3500 К и зависит от фона неба и сезона наблюдений. Для учета наклона антенны БСА к горизонту и несовпадения нормали к антенне с зенитом вводилась поправка, которая определялась из прохождения мощного радиоисточника 3С241, находящегося в том же луче диаграммы, что и магнетар.

3. НАБЛЮДЕНИЯ МАГНЕТАРА SGR 1935+2154

Для поиска единичных импульсов от магнетара SGR 1935+2154 были использованы данные, записанные в режиме шести частотных каналов с временным разрешением 0.1 с. Поиск импульсов осуществлялся в архивных данных радиотелескопа БСА ФИАН с сентября 2019 г. до марта 2021 г. Bсего было проанализировано около 32 ч наблюдений. Из часовой записи выбирался участок, соответствующий прохождению источника через диаграмму направленности БСА. Для наилучшего выделения сигнала на фоне шумов при обработке данных к участку записи применялась методика, при которой данные сворачиваются с шаблоном, по форме соответствующим искомому сигналу, т.е. импульсу с экспоненциальным передним и задним фронтами [20, 21]. Далее проводился визуальный анализ, при котором на динамическом спектре выделялся искомый импульс. Ежедневно источник находился 3.5 мин в поле зрения радиотелескопа.

Для поиска периодического излучения использовались 32-канальные данные с выборкой 12.5 мс. Из записи выделялся участок длиной 16 384 отсчета, соответствующий времени прохождения магнетара через диаграмму направленности телескопа. Данные поканально сворачивались с двойным периодом 2 $ \times $ 3.247 с, в результате чего для дальнейшего анализа формировался динамический спектр. Критерием обнаружения являлось наличие двух импульсов в суммарном профиле, а также характерная колоколообразная форма кривой SNR$(DM)$, максимум которой совпадал с измеренной ранее мерой дисперсии.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

За указанный период от магнетара SGR 1935+2154 была зарегистрирована вспышка 2.09.2020 г. [22]. На сегодняшний день диапазон 109–111.5 МГц является самым низкочастотным, на котором обнаружен сигнал от SGR 1935+2154. Измеренная пиковая плотность потока импульса составляет 140 мЯн. Мера дисперсии $DM$ равна 320 ± 10 пк/см³ и в пределах погрешности совпадает со значениями, измеренными ранее [12, 14]. Динамический спектр и профиль импульса приведены на рис. 1. Параметры импульса приведены в табл. 1.

Плотность потока в 140 мЯн является нижним пределом оценки плотности потока, поскольку, как видно из координат, импульс был зарегистрирован на выходе из главного лепестка диаграммы направленности БСА ФИАН. После введения поправок по $\alpha $ и $\delta $ и приведения к максимуму диаграммы радиотелескопа значение пиковой плотности потока импульса стало равным ~14.6 Ян.

Еще одним важным результатом является впервые обнаруженное периодическое излучение от магнетара SGR 1935+2154 на частоте 111 МГц. На рис. 2 (вверху) показан динамический спектр при сложении записи с двойным периодом, скомпенсированный за меру дисперсии. Применялось сглаживание с шаблоном шириной 0.22 с. Далее ширина всех импульсов приводится на высоте $1{\text{/}}e$. На рис. 2 (центр) показан суммарный профиль. Также использовалось сложение с двойным периодом. Интересной особенностью периодического излучения, хорошо видимой на динамическом спектре (рис. 2 (вверху)), является наличие интеримпульса. Он наблюдается в частотных каналах, в которых отсутствует главный импульс.

5. ОБСУЖДЕНИЕ

Обнаружение периодического излучения от магнетара SGR 1935+2154 в радиодиапазоне 109–111.5 МГц дает дополнительную возможность сравнения свойств этого объекта с оными в других диапазонах. До этого периодическое излучение от SGR 1935+2154 было обнаружено на радиотелескопе Medicina Norther Cross [17] на частоте 408 МГц. Наблюдатели сообщают, что измеренный период равен 3.24760(3) с, пиковая плотность потока 4 мЯн, мера дисперсии $DM = 316(18)$ пк/см³, рассеяние импульса 72(5) мс. Рассеяние импульса было измерено нами заново из оцифровки приведенного в телеграмме суммарного профиля. Согласно измерениям на 111 МГц пиковая плотность потока периодических импульсов магнетара SGR 1935+2154 за 09–10.12.2020 г. равна ~40 мЯн, что в комбинации с величиной 4 мЯн на частоте 411 МГц дает спектральный индекс $\alpha = - 1.25$.

После того как периодическое радиоизлучение было зарегистрировано на радиотелескопе MNC, наблюдатели на телескопе FAST [23] также обнаружили его на частоте 1250 МГц. Но никаких параметров импульса, кроме факта обнаружения периодичности и периода 3.24781(1) с, сообщено не было. В связи с этим мы проанализировали приведенный в телеграмме график, получили средний профиль и измерили ширину импульса, которая оказалась равной 106(5) мс. Так как до настоящего времени полноценного фазового анализа моментов прихода импульсов SGR 1935+2154 не сделано, то определенно следует продолжать наблюдения периодического излучения для последующего определения точных величин периода и его производной.

Величина рассеяния импульсов была измерена многими наблюдателями [17, 24, 25], и, как и полагается, демонстрирует систематическое увеличение с понижением наблюдательной частоты. Стоит, однако, заметить, что зависимость от частоты сильно отличается от закона ${{\tau }_{{{\text{sc}}}}} \propto {{f}^{{ - 4}}}$, характерного для пульсаров. В табл. 2 приведена ширина импульсов в зависимости от частоты на высоте $1{\text{/}}e$ относительно максимума по наблюдениям в обсерватории Онсала (OSO) в Швеции и 32 м радиотелескопе в Торуни, Польша. Измерения на 1250, 411 и 111 МГц относятся к периодическим импульсам. Очевидно, что, так как отдельные радиовсплески и периодические импульсы генерируются разными механизмами, то напрямую их сравнивать нельзя. Если описать рассеяние единичных импульсов на 600, 1000, 1324 МГц единым законом, то получим зависимость

т.е. заведомо более слабую, чем 4-я степень зависимости от частоты. Причин этому может быть несколько. Первое – это, конечно же, отличие от колмогоровского закона турбулентности и модели тонкого экрана. Вторая причина, как предлагают Кирстен и др. [26], это собственная форма импульса, которая имеет ширину больше, чем величина рассеяния на соответствующей частоте. И, наконец, третья причина, частично пересекающаяся с первой, это наличие оболочки остатка сверхновой, в которой с большой вероятностью находится магнетар.

Попутно отметим, что ширина периодических импульсов равна ~0.03 периода, т.е. лежит в характерном для пульсаров диапазоне и не показывает какой-либо зависимости от частоты. При этом ширина периодических импульсов на 2–2.5 порядка больше ширины одиночных импульсов. Если принять, что наряду с рассеянием импульс имеет собственную ширину, которая определяется размером излучающей области, то получается, что излучение единичных импульсов происходит в областях, размер которых более чем на 2–2.5 порядка меньше области излучения в классическом конусе излучения на той же частоте. Это, по нашему мнению, является убедительным подтверждением различных механизмов генерации.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты данной работы:

1. В период с 1 сентября 2019 г. по март 2021 г. была обнаружена вспышка от магнетара SGR 1935+2154 на частоте 111 МГц.

2. В работе получены динамический спектр и суммарный профиль импульса, а также определены параметры сигнала, которые представлены в табл. 1.

3. В период наблюдений с января по февраль и с сентября по декабрь 2020 г. обнаружено периодическое излучение от указанного магнетара также на частоте 111 МГц, которая является самой низкой частотой наблюдения периодических сигналов от SGR 1935+2154.

4. В комбинации с измерениями пиковой плотности потока на 406 МГц [17] вычислен спектральный индекс $\alpha = - 1.25$.