НZ Геркулеса

Анализ всей совокуности наблюдательных данных о свойствах рентгеновского 35-дневного цикла в системе Неr Х-1/НZ Неr приводит к заключению, что задающим механизмом этого цикла является свободная прецессия нейтронной звезды, представляющей собой слегка трехосный эллипсоид. Как хорошо известно (см. Ландау и Лившиц, 19...), в этом случае вектор момента вращения в ходе прецессии движется относительно осей тела по неплоским замкнутым траекториям, получающимся при пересечении поверхности эллипсоида и сферы (в случае эллипсоида вращения они представляют собой окружности). Это приводит к тому, что жестко связанный с поверхностью нейтронной звезды магнитный полюс будет дважды за период прецессии проходить на минимальном и максимальном угловом расстоянии от полюса вращения, что и объясняет периодическое первичное (HIGH-ON) и вторичное (LOW-ON) включение рентгеновского источника. Как будет показано ниже, в эти моменты магнитный полюс находится ближе всего к экватору вращения.

В предыдущих работах (Волошина и др. 1989; Постнов и др. 1989, 1990) нами подробно исследовались оптические кривые блеска НZ Неr. Было показано, что свободная прецессия нейтронной звезды как задающий механизм 35-дневного рентгеновского цикла позволяет адекватно смоделировать наблюдаемые особенности оптических кривых блеска. Ось вращения нейтронной звезды должна быть неортогональна орбитальной плоскости. Это приводит к тому, что из-за взаимодействия диамагнитного диска с вращающейся магнитосферой внутренние части диска ( , где - альвеновский радиус) становятся в экватор вращения нейтронной звезды (Липунов и др., 198...). Диск становится изогнутым и прогрев как атомсферы нормальной компоненты так и самого диска оказывается сильно асимметричным. Из-за получающегося градиента давления в атмосфере звезды возникают меридиональные движения, поэтому выходящая из окрестностей внутренней точки Лагранжа может быть не в орбитальной плоскости системы. Следовательно, и внешние области аккреционного диска будут периодически лежать не в орбитальной плоскости. Такая сложная геометрия диска является причиной периодических затмений рентгеновского излучения центрального источника (напомним, что луч зрения лежит практически в орбитальной плоскости).

Обратимся к рентгеновским наблюдениям. Как показал анализ профилей рентгеновских импульсов, полученных с борта ИСЗ EXOSAT (Оgelman and Truemper 1987, Kahabka 1989), импульс может быть разложен на 5 составляющих: 1). главный импульс, 2). два почти симметрично расположенных от него субимпульса, 3). очень слабый вторичный импульс, 4). синусоидальная компонента и 5). постоянная подложка. Синусоидальная компонента возникает из-за рассеяния излучения главного импульса на аккреционном диске. Заметим, что в мягком рентгеновском диапазоне (0,02-1 кэВ) представлен только один импульс, смещенный на пол-периода относительно главного импульса в жестком диапазоне. Это есть результат переизлучения главного импульса. Отсюда можно сделать важный вывод о структуре магнитного поля вблизи поверзности нейтронной звезды. Действительно, если бы оба полюса были абсолютно одинаковы, при дипольной структуре поля рентгеновская светимость из них также была бы равная. Но из формы импульса следует, что полюса имеют разную интенсивность.

Мы считаем, что два почти симметричных субимпульса обусловлены излучением кольцевой зоны на поверхности нейтронной звезды вокруг того полюса, в котором возникает главная компонента импульса. Угловое расстояние этого кольца от полюса . Существование такого кольца может быть связано с наличием квадрупольной структуры магнитного поля вблизи поверхности нейтронной звезды. Ниже мы рассмотрим идеализированную аксиально-симметричную схему структуры магнитного поля, которое обусловлено текущими по поверхности нейтронной звезды токами.

Возьмем сферу с радиусом a, по которой текут токи . Как хорошо известно (см. например Джексон 19 ), векторный потенциал поля вне этой сферы

Разлагая по полиномам Лежандра, находим

В соответствии со свойствами полиномов Лежандра

В силу аксиальной симметрии задачи при интегрировании по в сумме остается только член с m=1 и

Чисто диполная компонента поля создается распределением токов , а чисто квадрупольное внешнеее поле задается распределением токов . Отсюда имеем

и для квадрупольной составляющей

Очевидно, , откуда

Картину распределения магнитных полей можно найти, решая обыкновенное дифференциальное уравнение

Известно, что интегралом этого уравнения является функция тока , постоянная вдоль силовых линий поля, т.е.

Найдем условие появления и ``отщепления'' от одного из полюсов кольца. Очевидно, там , и значит

При кольцо будет расположено на некотором угловом расстоянии от полюса, а на некотором расстоянии от поверхности нейтронной звезды над полюсом появится точка, где поле . Из условия определим уравнение поверхности, разделяющей противоположно идущие силовые линии

Это сфера, проходящая через центр нейтронной звезды. Из условия r=a определяем угол , т.е. если , кольцо находится практически в экваторе сферы. Как следует из наблюдений (см.
"Ogelman, Truemper) , следовательно, . При этих параметрах точка ветвления магнитных линий находится над полюсом сферы на расстоянии 2a от ее центра.

Достаточно очевидно, что должна возникнуть асимметрия аккреции вещества на полюса. При аккреции на внутреннем крае диска образуются диамагнинтые сгустки, которые проникают внутрь магнитосферы до тех пор, пока не произойдет их вмораживание в магнитное поле, после чего они движутся вдоль силовых линий. Чтобы асимметрия аккреции была заметна, необходимо чтобы вмораживание вещества в магнитное поле происходило уже в области, где заметно влияние квадрупольной составляющей, то есть на расстояниях порядка . В этой области как градиент давления магнитного поля, так и компонента силы тяжести вдоль магнитной силовой линии, направляют поток вещества в сторону точки ветвления.

Рассмотрим как такое сложное магнитное поле могло бы проявляться в наблюдениях гиролиний. Напряженность мангитного поля на поверхности нейтронной звезды r=a имеет следующий вид

при этом мы получаем следующие значения напряженности поля в полюсах и в кольце, соответственно

Если мы сравним полученные значения с наблюдениями изменения энергии гиролинии в HerX-1 с фазой импульса, проведенными с борта ИСЗ HEAO-1 (см. Soong et al,1989, 1990) то обнаружим, что отношение напряженности поля в главном импульсе и субимпульсах аккреционного кольца равно , что в точности соответствует предсказанию! Гиролиния от второго полюса при этом попадет в область энергий 100 кэв и вряд ли будет наблюдаться из-за крутого завала спектра, но в соответствующей области возможно будет наблюдаться расщепление гиролинии из-за влияния областей вблизи второго полюса.