Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За последние годы было открыто несколько интересных рентгеновских двойных в остатках сверхновых. В этих системах нейтронные звезды несмотря на свою молодость уже являются аккрецирующими источниками. Интерпретация данных результатов наталкивается на ряд трудностей при использовании классического подхода к описанию магнитовращательной эволюции. Нами предложен новый сценарий, в котором на ранней стадии своей эволюции нейтронная звезда аккрецирует вещество оболочки, сброшенной при взрыве сверхновой. В расчетах дальнейшей эволюции учтены существенные детали перехода со стадии Пропеллера (в течение которой внешнее вещество взаимодействует с быстровращающейся магнитосферой) на стадию радиопульсара. Компьютерное моделирование, проведенное для разнообразных сочетаний параметров нейтронной звезды и двойной системы, показало, что в случае наличия эпизода мощной аккреции на ранней стадии жизни нейтронная звезда может избежать выхода на стадию радиопульсара. В результате этого оказывается возможным существование молодых (с возрастами от нескольких тысяч лет) аккрецирующих нейтронных звезд в массивных двойных системах. Такой сценарий, в частности, объясняет свойства массивной рентгеновской двойной в остатке сверхновой MCSNR J0513-6724. Периоды вспышек аккрецирующих нейтронных звезд особенно богаты наблюдениями, и поэтому разработка моделей вспышек в аккреционных дисках вокруг нейтронных звезд очень важна. Мы написали компьютерный код FREDDI для описания вспышек в маломассивных рентгеновских двойных, а частности с замагниченными нейтронными звездами. Также нами разработан код для расчёта вертикальной структуры аккреционных дисков с учетом процессов конвекции. Эти коды открыты для использования и могут быть найдены по адресу http://xray.sai.msu.ru/sciwork/. С использованием этих кодов нами объяснены кривые блеска маломассивной рентгеновской двойной с нейтронной звездой Aql X-1, полученные во время вспышки 2013 г. Одновременно восстановлена структура эволюционирующего аккреционного диска и обнаружено, что охлаждение внешних частей диска приводит к формированию характерного колена на рентгеновской кривой блеска. Оказалось, что магнитное поле приводит к усилению эффекта излома, однако величина магнитного поля остается неопределенной. Рентгеновская двойная система HZ Her/Her X-1 привлекает огромное внимание теоретиков и наблюдателей. Со времени открытия рентгеновского источника Her X-1 в 1972 году, система наблюдается почти непрерывно космическими и наземными обсерваториями. Несмотря на это, до сих пор некоторые явления в системе остаются загадочными. Одна из самых больших загадок Her X-1 — 35-дневная прецессия наклонного аккреционного диска. Возможная причина прецессии аккреционного диска — свободная прецессия нейтронной звезды. Свободная прецессия нейтронной звезды успешно объясняет 35-дневную эволюцию профилей рентгеновских импульсов. При этом механизм синхронизации свободной прецессии нейтронной звезды и прецессии аккреционного диска — отдельная нерешённая задача. Нами было исследовано одно из наблюдательных проявлений свободной прецессии нейтронной звезды — периодические вариации частоты пульсара с фазой свободной прецессии амплитудой 0.5 микрогерц. Такие вариации наблюдаются космическим аппаратом Fermi. Мы построили модель трёхосной свободной прецессии нейтронной звезды и независимо определили рентгеновские 35-дневные циклы по данным спутника Swift для анализа вариаций частоты пульсара. Наша модель в целом хорошо описывает субмикрогерцвые вариации частоты пульсара, и эти наблюдения могут быть рассмотрены как независимое подтверждение свободной прецессии нейтронной звезды в рентгеновской двойной системе Her X-1.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Один из ключевых результатов, полученных в рамках проекта в 2022 г., связан с учетом “эффекта гистерезиса” при прямом и обратном переходах между стадиями аккретора и пропеллера в тесных двойных системах (С.Б. Попов, А.Д. Хохрякова). Эффект позволяет объяснить существование молодых аккрецирующих нейтронных звезд в тесных двойных, находящихся в остатках сверхновых. За счет существования т.н. “возвратной аккреции” нейтронная звезда может не вернуться на стадию эжекции, что приводит к последующему быстрому выходу на аккрецию вещества звездного ветра компаньона. Моделирование эволюции молодых нейтронных звезд и сравнение результатов с наблюдениями (Igoshev et al., статья написана при участии С.Б. Попова) позволило уточнить вид и параметры начального распределения нейтронных звезд по периодам вращения и магнитным полям. Анализ молодых нейтронных звезд сравнимого характеристического возраста внутри остатков сверхновых и без остатков сверхновых показал, что различия между этими субпопуляциями можно объяснить различиями в начальных периодах вращения и/или различиями в параметрах магнитного поля, а не разными механизмами формирования, как предлагалось недавно в работе Cui et al. (2021). Популяционному синтезу старых нейтронных звезд посвящена работа Хохряковой и др. В ней рассмотрены источники, известные под аббревиатурой HOFNARs. Эти быстровращающиеся нейтронные звезды в тесных двойных системах имеют высокую температуру поверхности благодаря развитию неустойчивости r-моды. В статье представлено моделирование наблюдаемости таких объектов телескопом eROSITA на борту спутника Спектр-РГ. Показано, что при стандартных на сегодняшний день предположениях десятки или даже сотни таких источников могут быть обнаружены по результатам полного обзора неба. Моделирование источников быстрых радиовсплесков в двойных системах (Барков, Попов) показало, что для описания параметров двух известных источников с периодической активностью требуют высокоэксцентричные орбиты. В работе приведен достаточно развернутый обзор современного состояния изучения быстрых радиовсплесков (написан С.Б. Поповым). В 2022 г. С.Б. Поповым был написан обзор, посвященный магнитарам в двойных системах. На основе обзора была прочитана обзорная лекция для студентов ГАИШ МГУ, доступная в сети Интернет: https://www.youtube.com/watch?v=mYqI5q0dLIs На момент написания отчета видео имеет более десяти тысяч просмотров. Кроме того, отдельные результаты проекта упоминались в других многочисленных научно-популярных выступлениях и материалах С.Б. Попова. В работе Липуновой в соавторстве проведено одномерное моделирование во времени идеального радиационно-доминированного потока внутри магнитосферы нейтронной звезды. Оказалось, что положение радиационно-доминированной ударной волны и ряд ее характеристик хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями стационарного аналитического решения Баско-Сюняева (1976). Обнаружено, что при достаточно большом темпе аккреции, если излучается менее трети высвобождаемой мощности, колонка начинает “протекать” на конечной высоте над поверхностью НЗ. Появление вещества на соседних магнитных силовых линиях может провоцировать слабо-релятивистские оттоки вещества от аккрецирующих нейтронных звезд. По вопросу природы турбулентности в дисках рентгеновских транзиентов, в рамках нелокального подхода, Н.И. Шакурой с соавторами получены новые результаты о развитии малых возмущений кеплеровского течения идеального газа с магнитным полем. В модели диска с частичным проникновением в него магнитного поля нейтронной звезды с наклоненной магнитной осью А.В.Кузиным решено уравнение индукции. В ограниченной области диска генерируется тороидальное поле, рост которого останавливается из-за турбулентной диффузией. Построена модель вертикальной и радиальной структуры наведенного поля и обнаружены азимутально-зависимые компоненты наведенного поля, которые дают вклад в МГД уравнения Навье-Стокса. В рамках модели частично проникающего в геометрически тонкий аккреционный диск магнитного поля нейтронной звезды с наклоненной магнитной осью аналитическирассчитан магнитный момент сил, действующий на аккреционный диск наряду с вязкими силами. Уравнение вязкой эволюции аккреционного диска приобретает новое слагаемое, что реализовано Д. Д. Лисициным в коде FREDDI, который численно строит эволюцию физических параметров и кривые блеска рентгеновских транзиентов. Показано качественное согласие рассчитанной эволюции частоты вращения нейтронной звезды во время вспышки с наблюдениями рентгеновского пульсара A 0535+262. В 2022 г. А.С.Тавлеевым, К.Л.Маланчевым и Г.В.Липуновой подготовлена новая версия открытого кода для расчета вертикальной структуры alpha-диска. Теперь возможен самосогласованный учет облучения диска рентгеновским излучением, что актуально для рентгеновских транзиентов. В результате получилось рассчитать важный параметр самооблучения диска, обычно задаваемый как некая константа, и более детально, чем ранее, исследовать условия тепловой устойчивости облученных дисков. Д.А.Колесниковым и Н.И.Шакурой в соавторстве с К.А.Постновым опубликована статья о прецессии нейтронной звезды Her X-1. Частота импульсов рентгеновского излучения Her X-1, измеренная с помощью Fermi/GBM, демонстрирует периодические изменения с потоком рентгеновского излучения при включенном состоянии источника. Наблюдаемые периодические субмикросекундные изменения частоты импульсов объясняются в работе свободной прецессией трехосной нейтронной звезды с параметрами, ранее полученными из независимого анализа эволюции рентгеновского импульса за 35-дневный цикл. Для Her X-1 Д.А.Колесниковым и Н.И.Шакурой разработана модель изгибного, прецессирующего аккреционного диска с произвольным профилем толщины и произвольным распределением температуры по поверхности. Модель реализована в открытом коде Discostar, который вычисляет оптические кривые блеска рентгеновских двойных систем. Открытые коды, разработка которых поддержана данным проектом РНФ, доступны по ссылке http://xray.sai.msu.ru/sciwork/

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Представлены результаты моделирования эволюции одиночной нейтронной звезды с учетом возвратной аккреции и разных моделей затухания магнитного поля. В частности, рассмотрение эволюции недавно обнаруженных долгопериодических радиоисточников, PSR J0901-4046 и GLEAM-X J1627-52, показало, что время выхода на стадию аккреции этих объектов при реалистичных параметрах много меньше возраста Галактики. Проведено моделирование структуры аккреционного диска с использованием аналитических выражений для коэффициентов непрозрачности (по Томпсону и по Крамерсу) и аналитического выражения для уравнения состояния газа (идеальный газ с постоянным удельным молекулярным весом) вокруг нейтронной звезды с учетом эффектов магнитного поля звезды. Предполагается, что магнитное поле нейтронной звезды может проникать в диск. Проведена оценка степени влияния магнитного поля звезды на тепловой спектр диска. Показано, что при слабых темпах аккреции промежуточная асимптотика спектра меняется со стандартной (показатель 1/3) на асимптотику пассивного диска (показатель 5/7). Разработан метод расчета формы импульса от рентгеновского пульсара в режиме магнитосферной аккреции, когда формируются высокие аккреционные колонки. Импульс формируется излучением боковых поверхностей двух колонок из-за вращения нейтронной звезды при учете затмений рентгеновских лучей звездой и колонками. Рассчитаны формы импульса в зависимости от энергии фотонов, карты неба пульсара, изотропоная светимость, доля пульсирующего излучения, спектр в приближении теплового характера излучения. Проведен анализ зависимости результатов от темпа аккреции, магнитного поля и геометрических параметров колонок. В он-лайн библиотеке http://xray.sai.msu.ru/sciwork/RNF/acopul_data/ представлены результаты расчетов и трехмерные рендеринги для иллюстрации изменений геометрической конфигурации системы при вращении нейтронной звезды. В рамках нелокального подхода пересмотрен модальный анализ малых возмущений кеплеровского течения идеального газа, приводящих к магни- торотационной неустойчивости, как в постоянном вертикальном магнитном поле, так и в случае радиально изменяющейся фоновой альфвенов- ской скорости. Найдена предельная величина фоновой альфвеновской скорости, выше которой магниторотационная неустойчивость не возникает. Развита математическая модель оттока вещества с поверхности звезды под действием нагрева со стороны аккретора с учетом тени, создаваемой аккреционным диском вблизи точки Лагранжа L1. Модель включает 3-мерную систему динамических уравнений невязкого частично ионизованного газа с учетом гравитации и радиационных эффектов. Проведен анализ неустойчивости перестановочного типа на внутреннем крае тонкого диамагнитного аккреционного диска. Показано, что внутренний радиус не отличается от альвеновског радиуса при сферической аккреции с точностью до безразмерного коэффициента, причем коэффициент пропорциональности зависит только от альфа-параметра турбулентности и относительной толщины диска (h/r). Проведено моделирование оптических орбитальных кривых блеска вблизи минимума в фильтре B и V рентгеновской двойной системы HZ Her/Her X-1. Минимум соответствует полному затмению аккреционного диска и нейтронной звезды. Фотометрия на фазах частного затмения содержит информацию от структуре аккреционного диска. С учётом 35-дневной прецессии наклонного аккреционного диска, моделирование на разных фазах цикла прецессии позволяет восстановить вид диска при разной ориентации относительно наблюдателя. Наблюдения хорошо описывается простой моделью диска со степенным радиальным распределением температуры. Неожиданным результатом является то, что для описания кривых блеска не требуется наличие прогрева аккреционного диска рентгеновским излучением нейтронной звезды. Ассиметричность кривых блеска на входе и на выходе из затмения, указывает на наличиие горячего пятна от взаимодействия аккреционной струи с диском. В наблюдениях имеются вспышки — вероятно, проявление нестационарности аккреционной струи, в результате которой яркость пятна может сильно меняться за время порядка 1 часа. В нашей модели работе также учтены эти явления. Моделирование ведётся с помощью программы синтеза кривых блеска Discostar, разработанной в отделе Релятивистской астрофизики ГАИШ. Специально для данной работы были уточнены фазы рентгеновского 35-дневного цикла по данным спутника Swift/BAT. Важно, что в данной работе моделируется не каждый минимум индивидуально, а все минимумы в рамках одной модели прецессирующего диска. В работе Постнова, Куранова и Митичкина исследованы сценарии образования двух популяций сливающихся двойных черных дыр (ЧД): ЧД образующиеся при коллапсах ядер массивных звезд в тесных двойных системах и образование двойных первичных ЧД в ранней Вселенной из первичных возмущений. Процессы аккреции учтены для следующих случаев: на стадиях обмена вещества в двойных системах; возможной аккреции части звездной оболочки (fallback) на ЧД, образовавшуюся при коллапсе железного ядра звезды;возможной раскрутки компонент двойных первичных ЧД при аккреции газа из холодной межзвездной среды. Показано, что в рамках модели двух популяций сливающихся двойных ЧД можно объяснить близость к нулевому значению эффективных спинов сливающихся двойных ЧД, распределение по массам и возможную антикорреляцию эффективных спинов к отношению масс компонентов. При этом модель формирования первичных ЧД с логарифмически нормальным спектром в диапазоне звездных масс способна объяснить наблюдаемый пик в распределении чирп массы сливающихся двойных BH в районе значения 30 масс, появившийся в опубликованных данных LIGO/Virgo.