Лаборатория фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики

Основные результаты за 2020 год

  1. Используя прямые и непрямые методы, нам удалось определить напряженность магнитного поля в четырех рентгеновских пульсарах: XTE J1829−098, IGR J19294+1816, RX J0812.4–3114 и SXP4.78.
  2. Вариации периода пульсаций в системе GX 301−2 на масштабах орбитального периода позволили впервые обнаружить нейтронную звезду, вращающуюся в противоположном направлении относительно ее орбитального движения.
  3. В системе с аккрецирующим миллисекундным пульсаром IGR J17591−2342 удалость определить с высокой точностью все орбитальные параметры.
  4. Длительный мониторинг одного из самых медленновращающихся пульсаров SXP1062 позволил открыть неожиданное значительное ускорение вращения нейтронной звезды и ее взаимодействие с плотным поглощающим веществом при удалении от звезды-компаньона.
  5. Для очень яркого транзиента, GROJ1744−28, мы обнаружили, что спектр мощности его излучения резко отличается от канонической формы, а частота излома оказывается значительно выше, чем ожидалось на основе оценки магнитного поля по энергии циклотронной линии, что указывает на существование в аккреционном диске области с преобладанием радиационного давления и наличием сильной квадрупольной компоненты в магнитном поле нейтронной звезды.
  6. Недавнее открытие пульсирующих сверхярких источников рентгеновского излучения (ULX) показывает, что видимая светимость аккрецирующих НЗ может превышать Эддингтоновскую светимость в сотни раз. Показано, что большое усиления светимости из-за геометрической коллимации и высокая амплитуда пульсаций в значительной степени исключают друг друга, и только незначительная часть коллимированных ULX пульсаров может показать амплитуды пульсаций выше 10%. Расхождение между этим выводом и текущими наблюдениями указывает на то, что ULX пульсары не могут быть сильно коллимированы и их видимая светимость близка к реальной.
  7. Используя разработанное программное обеспечение (пакета поиска, отбора и передачи данных, пакета потоковой обработки данных, поиска пульсаций и т.д.), мы проанализировали данные мониторинговых наблюдений нескольких быстровращающихся пульсаров, выполненных за предыдущие два года инструментом NICER. Для определения точных параметров эволюции их вращения, мы для каждого из источников скачали все наблюдательные данные из архива, применили процедуру барицентрирования к временным рядам, определили текущий период пульсаций и, используя их значения нашли скорость изменения периода для выбранной эпохи. Было разработано программное обеспечение для анализа кривых блеска пульсаров, полученных в наблюдениях телескопом ART-XC. В частности, была разработана методика приведения бортового времени к мировому (коррекция бортовых часов) и реализована процедура барицентрирования.
  8. В рамках проекта был запланирован и проведен ряд экспериментов, позволяющих отработать элементы космической навигации на отечественном рентгеновском телескопе ART-XC им. М.Н. Павлинского, установленного на борту орбитальной космической обсерватории «Спектр-РГ». Было организовано и проведено 11 серий наблюдений ряда быстровращающихся рентгеновских пульсаров телескопом ART-XC. Эти наблюдения, наряду со штатными измерениями параметров траектории космического аппарата (КА), позволили провести юстировку бортовых часов относительно мирового времени с миллисекундной точностью. Было показано, что приемлемые навигационные параметры спутника можно получать, используя только данные измерений пульсаров, что доказывает возможность создания системы автономной навигации КА по сигналам рентгеновских пульсаров. Опираясь на данные наблюдений ART-XC, для каждого из пульсаров, мы не только показали, что можем определять время прихода импульсов с высочайшей точностью, но и получили законы их вращения (эфемериды), положив тем самым начало работы по созданию и поддержанию национальной базы рентгеновских пульсаров, пригодных для нужд автономной навигации в дальнем космосе.
  9. В процессе выполнения НИР по разработке алгоритмов и программ определения орбиты космического аппарата по сигналам рентгеновских пульсаров разработан математический аппарат, позволяющий определять параметры положения и движения космического аппарата и оценивать неопределенности этих параметров. В частности, были разработаны:
    1. алгоритмы расчёта значений момента прихода импульса (МПИ) для задачи определения орбиты КА;
    2. алгоритмы расчёта среднего значения МПИ по нескольким периодам сигнала рентгеновского пульсара для задачи определения орбиты КА;
    3. алгоритмы и программы определения орбиты КА по измеренным значениям МПИ;
    4. проведено моделирование измерений МПИ и проведены вычислительные эксперименты по определению орбиты КА.
  10. Для проведения исследований многоэлементного детектора рентгеновского излучения на основе кремниевых дрейфовых детекторов (КДД) был разработан прототип детектора. Для изготовления детектора, у фирмы PNDetector были закуплены: кристаллы КДД SD3-05-128pnW и макеты кристаллов КДД SD3-05 mm2. Был разработан прототип многоэлементного дрейфового детектора Э52410014.00.00 и изготовлены его составные части. В качестве чувствительного элемента рентгеновского детектора используется матрица 4х4 из 16 отдельных кристаллов КДД (PNDetector, Германия). Каждый кристалл имеет чувствительную площадь 5 мм2. Для аналоговой обработки сигналов с КДД используются микросхемы SDDASIC3.
  11. Проведены испытания прототипа чувствительного элемента детектора для оценки направления дальнейших работ по улучшению характеристик образцов детектора, необходимых для решения поставленных в проекте задач. Для блока КДД Э52410007.00.00, входящего в состав стенда, был разработан и изготовлен гермокорпус Э52410007.37.00, позволяющий проводить испытания ASIC и кремниевым дрейфовым детектором (КДД) в атмосфере сухого азота, предотвращающего негативное влияние окружающей среды на чувствительные элементы. С использованием стенда Э52410010.00.00, разработанного и изготовленного на предыдущем этапе, были проведены испытания микросхем SDDASIC3 совместно с КДД.
  12. Проведены пуско-наладочные работы по сварочной головке 5610 (F&S Bondtec, Австрия) и станку монтажа кристаллов FINEPLACER pico ma (Finetech, Германия). Проведены пусконаладочные работы по шкафу сухого хранения DC-3G ESD. Проведен комплекс работ по техническому обслуживанию Чистового модуля.

Основные результаты за 2019 год

  1. Развита модель чисто водородной атмосферы полярной шапки миллисекундного радиопульсара, нагреваемой потоком ультра-релятивистских электронов, так называемым возвратным током магнитосферы. Показано, что угловое распределение нагретых моделей атмосфер может существенно отличатся от обычно используемого углового распределения выходящего излучения стандартных моделей атмосфер нейтронных звезд. В частности, потемнение к краю может сменяться на поярчание к краю. Эти эффекты должны быть учтены при моделировании профилей импульсов миллисекундных радиопульсаров, наблюдаемых инструментом NICER, и могут оказать существенное влияние на определение радиусов нейтронных звезд, получаемых в результате такого моделирования.
  2. Начата разработка самосогласованной модели аккреционной колонки в классических пульсарах с сильным магнитных полем B=1012-1013 Гс. Разработан численный код, основанный на Монте-Карло симуляциях переноса излучения. Затабулированы сечения основных процессов в сильном магнитном поле. Построены модели динамики и энергетики газа в колонке. Получены спектры в районе циклотронного резонанса. Исследована зависимость импульса переданного газу в зависимости от его температуры в различных магнитных полях. Объяснена физическая природа веерной диаграммы направленности в сверхкритических пульсарах.
  3. Развит байесовский метод для моделирования фазово-разрешенных спектров миллисекундных пульсаров.
  4. Разработан математический аппарат и программное обеспечение для расчетов спектров от быстро вращающихся нейтронных звезд. Мы показали, как меняются цветовые поправки и факторы дилюции вследствие быстрого вращения. Предложен улучшенный «метод остывающего хвоста», который принимает во внимание быстрое вращение НЗ. Применяя его к барстеру SAX J1810.8-2609, получено значение радиуса НЗ (при М=1.5 солнечной массы) в интервале 11.5-12.0 км (68% достоверность).
  5. Предложена простая формула, которая аппроксимирует точные расчеты искривления лучей света в метрике Шварцшильда с точностью лучше чем 0.06%.
  6. Разработан байесовский метод ограничения масс и радиусов НЗ с использованием как спектральной, так и временной информации от аккрецирующих миллисекундных пульсаров. Результаты показывают, что наш метод работает, и знание геометрии источника и наклонения наблюдателя из рентгеновской поляризации приводит к более точным ограничениям на массу и радиус нейтронных звезд.
  7. Исследовалась быстрая переменность профилей импульсов рентгеновских пульсаров с использованием ранее разработанной методики. Методика была применена к большой выборке систем, для которых были доступны архивные наблюдения обсерваторий RXTE и NuSTAR. Показано, что в рентгеновских пульсарах наблюдается сильная переменность импульс-к-импульсу, а сама форма импульса сильно зависит от интенсивности импульса, в том числе на коротких временных масштабах.
  8. Разработан математический аппарат, позволяющий определять параметры положения и движения космического аппарата и оценивать неопределенности этих параметров по сигналам рентгеновских пульсаров. Реализована программа наблюдений нескольких рентгеновских пульсаров. Начата обработка полученных наблюдательных данных.
  9. Проведены работы по установке технологических библиотек полупроводникового процесса XT018 фирмы X-Fab под САПР Tanner. Выполнялся перевод электрических схем блоков микросхемы SDDASIC3 из САПР Pyxis Schematic в САПР Tanner S-Edit. Вполнялось преобразование топологии микросхемы SDDASIC3 из САПР Pyxis Layout в САПР Tanner L-Edit.
  10. Выполнена разработка и изготовление макета для исследования свойств чувствительного элемента детектора и верификации параметров первой версии специализированной микросхемы SDDASIC3. Разработан стенд для проведения исследований параметров чувствительных элементов и специализированной микросхемы. Проведена аппаратная отладка составных частей макета и стенда. Созданы конфигурации для программируемых логических интегральных схем. Разработано программное обеспечение для микропроцессорных ядер реального времени PRU-ICSS и центрального процессора ARM Cortex-A8 блока управления стендом.

Основные результаты за 2018 год

  1. Развит метод моделирования атмосфер нейтронных звезд, нагреваемых падающим на нее потоком быстрых ионов. Модель дает возможность уточнить массы и радиусы нейтронных звезд.
  2. Развит метод моделирования спектров излучения быстро-вращающихся нейтронных звезд. Модифицирован метод определения фундаментальных параметров нейтронных звезд по спектральной эволюции термоядерных вспышек на этапе падения блеска.
  3. Разработан новый метод прямой аппроксимации спектров рентгеновских барстеров моделями атмосфер нейтронных звезд и разработана процедура интерполяции модельных спектров.
  4. В рамках работ по исследованию физических свойств сильно-замагниченных нейтронных звезд впервые нами было обнаружено резкое изменение спектра при переходе от яркого к слабому состоянию объекта GX 304-1 и дана теоретическая интерпретация этому явлению.
  5. Из более чем 2000 пульсаров, наблюдаемых в радиодиапазоне, были отобраны около 40, которые также значимо излучают и в рентгеновской части электромагнитного спектра. Используя данные с обсерватории NICER, нами были отобраны 8 кандидатов, наилучшим образом подходящих для использования в качестве «реперных» источников для систем рентгеновской навигации.
  6. Была разработана и протестирована методика анализа переменности быстрой переменности (импульс-к-импульсу) в наблюдениях рентгеновских пульсаров, выполненных на различных обсерваториях. Методика позволяет исследовать свойства ансамблей импульсов и определять те фазы профиля импульса, в которые наблюдается нестохастическая переменность.
  7. Был разработан пакет программ для комплексного одновременного анализа совместных временных характеристик (кросс-корреляций, спектров мощности, когерентности, временных задержек) данных по нескольким рентгеновским каналам.
  8. Сформулированы требования к рентгеновскому детектору для исследования нейтронных звезд и навигации по рентгеновским пульсарам, и определены его основные параметры.
  9. Сформулирована и оценена реализуемость требований к системе обеспечения тепловых режимов рентгеновских детекторов, предназначенных для исследования нейтронных звезд и навигации по рентгеновским пульсарам, устанавливаемых на космических аппаратах, предназначенных для функционирования на околоземных и высокоапогейных орбитах.
  10. Выполнена разработка топологии основных IP-блоков для специализированной интегральной схемы (ASIC), составляющих спектрометрический тракт. Выполнена оптимизация топологии IP-блоков на основании экстрактированных параметров.
  11. Выполнено объединение IP-блоков в единую микросхему SDDASIC3. Выполнена верификация топологии на соответствие правилам проектирования. Выполнена подготовка проекта ASIC к производству.
  12. Разработан эскиз конструкции детектора рентгеновского излучения на основе матрицы кремниевых дрейфовых детекторов.

Последние новости:

  • 02.09.2021 В журнале Astronomy & Astrophysics принята к публикации статья посвященная исследованию нового транзиентного рентгеновского пульсара MAXI J0903-531 по данным инструментов SRG/ART-XC, Swift, NICER и NuSTAR.

  • 14.05.2021 В журнале Experimental Astronomy опубликована статья, описывающая астрофизический эксперимент «Монитор всего неба» на борту МКС.

  • 11.05.2021 В чистовом модуле лаборатории введён в эксплуатацию шкаф для хранения микросварочных головок фирмы F&S Bondtec (Австрия).

  • 26.03.2021 В журнале Physics Reports вышел обзор Д.Г. Яковлева с коллегами, описывающий физику оболочек нейтронных звезд.

  • 03.02.2021 Принята в печать статья описывающая фазированную спектроскопию магнитара SGR J1745-2900 по данным обсерватории NuSTAR.

  • 23.12.2020 В Институте Космических Исследований РАН прошла ежегодная конференция "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (HEA-2020)”.

  • 18.12.2020 Завершены пуско-наладочные работы станка микромонтажа кристаллов.

  • 11.12.2020 Совет по грантам Правительства Российской Федерации рекомендовал продлить проект «Разработка перспективных систем регистрации рентгеновского излучения для решения фундаментальных и прикладных задач исследования космического пространства», реализуемый на базе ИКИ РАН под руководством ведущего ученого Юри Поутанена, на два года.

  • 10.12.2020 В журнале MNRAS вышла статья о невозможности одновременого наблюдения пульсаций в сверхярких рентгеновских пульсарах и наличия сильной коллимации излучания.

  • 03.12.2020 Введён в эксплуатацию шкаф сухого хранения.

  • 02.12.2020 Завершено оснащение чистового модуля лабораторной мебелью и системами освещения.

  • 27.11.2020 Цикл работ по излучения быстровращающихся нейтронных звезд Поутанена Ю. и Сулейманова В.Ф. был отобран ученым советом ИКИ РАН в числе шести важнейших (уникальных) результатов исследований ИКИ РАН за 2020 год.

  • 05.11.2020 На конкурсе научных работ ИКИ в номинации «Лучшая научная работа Института» победителями стали Поутанен Ю. и Сулейманов В.Ф. за цикл из 7 статей по моделям излучения быстровращающихся нейтронных звезд.

  • 16.10.2020 В ИКИ РАН изготовлены детали герметичного корпуса для блока кремниевого дрейфового детектора и успешно выполнена примерочная сборка корпуса с размещением внутри него макета детектора и подключением кабельной сети.

  • 08.10.2020 В Институте Космических Исследований РАН состоялся очередной семинар лаборатории, на котором были представлены доклады о состоянии дел по основным направлениям работы.

  • 05.10.2020 В ИКИ РАН прибыла партия кристаллов кремниевых дрейфовых детекторов SD3‑05‑128pnW. Изготовитель - фирма PNDetector GmbH (Германия).

  • 28.09.2020 Проведены пусконаладочные работы головки микросварки 5610 фирмы F&S Bondtec (Австрия).

  • 21.09.2020 Направлена в печать статья описывающая квазипериодические осцилляции в килогерцовом диапазоне частот (кГц КПО) в маломассивных рентгеновских двойных системах с нейтронными звездами.

  • 01.09.2020 Опубликована статья описывающая широкополосные наблюдения миллисекундного рентгеновского пульсара IGR J17591−2342 по данным обсерваторий XMM-Newton, NICER, NuSTAR и INTEGRAL.

  • 17.08.2020 Состоялся совместный семинар лаборатории фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики и отдела Астрофизики высоких энергий ИКИ РАН в представительстве ИКИ РАН, п.Витино, Республика Крым, по теме "Актуальные направления развития детекторов рентгеновского излучения для астрофизических применений".

  • 12.08.2020 Российским Фондом Фундаментальных Исследований поддержан проект Андрея Штыковского и Александра Лутовинова, поданный в рамках конкурса "Аспиранты".

  • 05.08.2020 В Astronomy & Astrophysics опубликована статья, где предложены новые аналитические формулы, описывающие искривление света в метрике Шварцшильда.

  • 08.07.2020 Министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков и заместитель министра Сергей Люлин во время визита в ИКИ РАН 07 июля 2020 г. ознакомились с работой Лаборатории фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики.

  • 19.06.2020 После вынужденного перерыва, связанного с пандемией COVID-19, продолжились работы по исследованию характеристик разработанных специализированных микросхем SDDASIC3.

  • 19.05.2020 Принята в печать статья, посвященная методу определения радиусов нейтронных звезд в маломассивных двойных рентгеновских системах по термоядерным вспышкам на их поверхности для случая быстрого вращения нейтронных звезд.

  • 07.11.2019 Сотрудникам лаборатории 502 Екатерине Кузнецовой и Александре Велединой присуждены премии ИКИ в номинации «Лучшая работа, выполненная молодыми учеными».

  • 24.09.2019 Сотрудником лаборатории Семеной Н.П. защищена докторская диссертация на тему: "Теоретико-экспериментальные методы обеспечения тепловых режимов научных космических приборов".

  • 30.08.2019 Российским Фондом Фундаментальных Исследований поддержан проект Екатерины Кузнецовой и Александра Лутовинова, поданный в рамках конкурса "Аспиранты".

  • Последние публикации:

  • Mushtukov A.A., Portegies Zwart S., Tsygankov S.S., Nagirner D.I., Poutanen J., “Pulsating ULXs: large pulsed fraction excludes strong beaming”, 2021, MNRAS, 501, 2424-2429 (IF=5.356, Q1) [doi]
  • Li Z.S., Kuiper L., Falanga M., Poutanen J., Tsygankov S.S., Galloway D.K., Bozzo E., Pan Y.Y., Huang Y., Zhang S.N., Zhang S., “Broad-band X-ray spectra and timing of the accretion-powered millisecond pulsar Swift J1756.9−2508”, 2021, A&A, 649, A76 (IF=5.636, Q1) [doi]
  • Beznogov M.V., Potekhin A.Y., Yakovlev D.G., “Heat Blanketing Envelopes of Neutron Stars”, 2021, Physics Reports, 919, 1-68 [doi]
  • Serbinov D. V., Pavlinsky M.N., Semena A.N., Semena N.P., Lutovinov A.A., Molkov S.V., Buntov M.V., Arefiev V.A., Lapshov I.Y., “MVN experiment – All sky monitor for measuring cosmic X-ray background of the universe onboard the ISS”, 2021, Experimental Astronomy, 51, 493–514 (IF 1.64, Q3) [doi]
  • Kuznetsova E.A., Lutovinov A.A., Semena A.N., “Phase-Resolved Spectroscopy of the Magnetar SGR J1745–2900 Based on Data from the NuSTAR Observatory”, 2021, Astronomy Letters, 47, 214-223 [arxiv]
  • Nabizadeh A., Tsygankov S.S., Ji L., Doroshenko V., Molkov S.V., Tuo Y., Zhang S.-N., Lu F.-J., Zhang S., Poutanen J., “Spectral evolution of X-ray pulsar 4U 1901+03 during 2019 outburst based on Insight-HXMT and NuSTAR observations”, 2021, A&A, in press (IF=5.636, Q1) [doi]
  • Bykov S.D., Filippova E.V., Gilfanov M.R., Tsygankov S.S., Lutovinov A.A., Molkov S.V., “Pulsating iron spectral features in the emission of X-ray pulsar V 0332+53”, 2021, MNRAS, in press [doi]
  • Chernyakova M., Malyshev D., van Soelen B., O'Sullivan S., Sobey C., Tsygankov S., Mc. Keague S., Green J., Kirwan M., Santangelo A., Pühlhofer G., Monageng I.M., “Multi-wavelength properties of the 2021 periastron passage of PSR B1259-63”, 2021, Galaxy, submitted [arxiv]
  • Nabizadeh A., Tsygankov S.S., Molkov S.V., Karasev D.I., Ji L., Lutovinov A.A., Poutanen J., “Broad-band analysis of X-ray pulsar 2S 1845−024”, 2021, A&A, submitted
  • Mereminskiy I.A., Mushtukov A.A., Lutovinov A.A., Tsygankov S.S., Semena A.N., Molkov S.V., Shtykovsky A.E., “Losing a minute every two years: SRG X-ray view on the rapidly accelerating X-ray pulsar SXP 1323”, 2021, Astronomy and Astrophysics, submitted [arxiv]
  • Электронный адрес
      


     
    © 2019 Институт Космических Исследований, Москва