Рис. 1. Ультрамощный рентгеновский источник XMMU J004243.6+412519 в представлении художника. Это двойная система, в которой чёрная дыра поглощает вещество маломассивной звезды-компаньона в режиме сверхкритической (суперэддингтоновской) аккреции. Но независимо от того, какой механизм привёл к образованию этого и других ультрамощных рентгеновских источников, для стороннего наблюдателя все они будут выглядеть примерно одинаково. Рисунок с сайта sci.esa.int

Последние три года были очень плодотворными для изучения астрономических объектов в рентгеновском диапазоне. В основном это, конечно, связано с запуском рентгеновского телескопа NuSTAR, но кроме того, были обработаны данные телескопов предыдущих поколений. Из двух моделей возникновения ультрамощных рентгеновских источников — либо это оставшиеся в результате взрыва сверхновой черные дыры, окруженные плотным слоем пыли и газа, который падает на них в суперэддингтоновском режиме, либо это черные дыры промежуточной массы — новые данные заставляют склоняться к первой.

Ультрамощными рентгеновскими источниками (Ultraluminous X-ray sources, ULX) называются космические объекты со светимостью (то есть энергией, излучаемой в единицу времени) в рентгеновской части спектра более чем 10³⁹ эрг/с. (Их еще называют ультраяркими рентгеновскими источниками, но, по мнению астрофизика Сергея Попова, это неудачный перевод английского ultra luminous X-ray sources, ведь речь идет именно о мощности (светимости), а не о яркости.) 10³⁹ эрг/с — много это или мало? Довольно много. Вся наша Галактика, например, излучает примерно 10⁴⁵ эрг/с, но это — во всем электромагнитном спектре. В то же время известны ULX, которые излучают до 10⁴³ эрг/с, то есть дают примерно 1% этой энергии, но в одном только рентгеновском диапазоне. К тому же, такие объекты часто меняют свою яркость за небольшое время, а значит, они совсем небольшие по размерам.

Обнаружены ультрамощные рентгеновские источники были в 1980-х годах, а в 2000-х те из ULX, которые были отождествлены с галактиками (то есть находятся в них, а не просто проецируются на изображения галактик, попадая на одну с ними линию зрения), были выделены в отдельный тип объектов. Дело в том, что ULX, которые галактикам не принадлежат, — это далекие квазары, то есть сверхмассивные черные дыры. Механизм образования и выделения такой огромной энергии в квазарах хорошо известен, в отличие от ULX в галактиках. Вот об этих загадочных объектах — компактных и мощных рентгеновских источниках излучения в галактиках — и будет идти речь.

На сегодня известно несколько сотен таких ULX, причем подмечено, что их намного больше в спиральных галактиках, чем в эллиптических, а концентрируются они в областях звездообразования: вокруг них обнаруживаются молодые горячие звезды и плотные скопления газа. Интересно, что, хотя некоторые галактики имеют несколько ULX, в нашей Галактике их нет — близкого и удобного для изучения объекта такого типа нам не досталось. Подробнее прочитать про ULX можно в хорошей, хотя и немного устаревшей, статье «Ультраяркие рентгеновские источники в галактиках — микроквазары или черные дыры промежуточных масс».

Так что же это за объекты, сотня которых имеет такую же совокупную энергию, как и вся наша Галактика?

До недавнего времени ученые параллельно развивали две модели ультрамощных рентгеновских источников: либо это оставшиеся в результате взрыва сверхновой черные дыры, окруженные плотным слоем пыли и газа, который падает на эту черную дыру в так называемом суперэддингтоновском режиме, или режиме сверхкритической аккреции; либо это черные дыры промежуточной массы (Intermediate Mass Black Hole, IMBH). Обе версии имеют свои сильные и слабые стороны, поэтому обсудим каждую из них.

Начнем с первой. В современной парадигме эволюции звезд в конце жизни массивной звезды ее ядро выгорает, там прекращаются ядерные реакции, температура падает и давление изнутри звезды не может компенсировать гравитацию. Звезда коллапсирует, внешняя оболочка разлетается в виде сверхновой, а ядро сжимается и становится черной дырой. По современным оценкам, массы подобных черных дыр варьируют от 2–3 (предел Оппенгеймера—Волкова) до 10–20 масс Солнца. Если не усложнять (то есть не вспоминать про излучение Хокинга, магнитные поля и возможное вращение черной дыры), то черная дыра будет оставаться черной (то есть ничего не будет излучать), пока на нее не начнет падать вещество.

Газ, пыль, остатки сверхновой могут быть захвачены гравитационным полем черной дыры и начать вращаться вокруг нее, формируя аккреционный диск. По мере вращения слои вещества в диске трутся друг о друга, в результате чего выделяется тепло, а вещество теряет угловой момент и постепенно приближается к черной дыре, пока не проскочит за ее горизонт событий. Максимальная интенсивность излучения энергии в аккреционном диске, образовавшейся в результате этого трения, напрямую зависит от массы чёрной дыры и называется пределом Эддингтона (Эддингтон рассчитывал условия равновесия сил давления и гравитации в звезде, но сейчас этот параметр применяется и в более общих случаях).

Здесь самое время пояснить, почему нижняя граница светимости источников ULX равна 10³⁹ эрг/с. Дело в том, что она соответствует пределу Эддингтона для чёрной дыры с массой 10 масс Солнца, что обычно является пределом для чёрных дыр, оставшихся от взрыва сверхновой. Значит, если наблюдаемая рентгеновская светимость выше, а масса чёрной дыры невелика, то, скорее всего, происходящее можно объяснить тем, что энергия аккреционного диска излучается неравномерно. Это возможно, например, если часть вещества аккреционного диска стекает по магнитным линиям к полюсам чёрной дыры и выбрасывается в пространство в виде двух узконаправленных релятивистских струй (джетов). Излучение при этих процессах может собираться в аналогичные джетам коллимированные потоки. В этом случае ультрамощный источник будет таковым не потому, что он излучает слишком много, а просто в силу ориентации: на нас падает большая часть излучения, так как по воле случая один из таких потоков бьёт нам в глаза, как лазерная указка. Это и есть механизм суперэддингтоновской аккреции (в русскоязычной литературе этот механизм называют «сверхкритической аккрецией», поскольку такое название использовалось в знаменитой статье Н. И. Шакуры и Р. А. Сюняева Black holes in binary systems. Observational appearance, в которой этот механизм был впервые описан).

Вторая версия происхождения ULX предполагает наличие чёрных дыр промежуточной массы — объектов, которые по массе стоят между чёрными дырами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядра звёзды, и сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик (масса которых оценивается в миллионы и миллиарды масс Солнца). Такая версия очень притягательна: эти чёрные дыры промежуточной массы искали очень давно, почти все космологические теории предсказывали их существование; к тому же, появление сверхмассивных чёрных дыр иначе объяснить было бы затруднительно. Вторая версия происхождения ULX проще первой: в этом случае не надо придумывать причины для слишком активного торможения вещества в аккреционном диске и особой ориентации чёрных дыр.

В последние три года наметился прогресс в понимании физических свойств ультрамощных рентгеновских источников. Этому прогрессу и посвящена статья Ultraluminous X-ray sources: three exciting years астрофизика Маттео Бачетти (Matteo Bachetti) из Астрономической обсерватории Кальяри. Новые сведения в основном были получены двумя способами. Во-первых, это наблюдение уже известных ULX телескопами в различных участках спектра, а во-вторых, это данные, полученные после запуска телескопа NuSTAR (рис. 2). Выяснилось, что большинство ULX — это обычные чёрные дыры, поглощающие вещество своих звёзд-компаньонов в суперэддингтоновском режиме. Так, совместные рентгеновские и радионаблюдения, выполненные телескопами XMM-Newton и VLA, помогли установить, что таковым является источник XMMU J004243.6+412519 в галактике Андромеды (см. Обнаружен первый микроквазар за пределами нашей Галактики). Дополнительные спектральные измерения помогли установить, что и ряд других объектов — таких, как X-1 в галактике M101, а также P13 в галактике NGC7793, — это тоже обычные чёрные дыры. Может быть, они чуть массивнее, чем большинство из уже известных, но всё ещё недотягивают до промежуточной массы.

Рис. 2. Телескоп NuSTAR, предназначенный для наблюдений в жестком рентгеновском диапазоне. Телескоп был выведен на околоземную орбиту в 2012 году. По плану, его работа должна была продлиться два года, но этот срок был увеличен минимум в два раза — до 2016 года. Изображение с сайта jpl.nasa.gov

Определение массы чёрной дыры в общем случае — это нетривиальная, но, как мы видим, важная для понимания природы ULX задача, поэтому учёные долго искали косвенные признаки, по которым можно установить, к какому из двух вариантов — сверхкритической аккреции на обычную чёрную дыру или нормальной аккреции на чёрную дыру промежуточной массы — относится источник. Таким признаком стало спектральное распределение энергии (то есть зависимость излучаемой энергии от длины волны) для малых длин волн. Напомним, что поскольку энергия Е фотона и его длина волны ν связаны формулой Планка E = hν, то график спектрального распределения энергии часто выглядит, как на рис. 3.

Рис. 3. Спектральное распределение энергии для трёх ультрамощных рентгеновских источников (число фотонов данной энергии, попадающих за секунду на приемник площадью 1 см2). Все точки, полученные правее отсечки 10 кэВ, — это результат работы телескопа NuSTAR. На левом графике — спектр источника NGC1313 X-1. Красная линия предсказывает распределение энергии, если «завал» вызван суперэддингтоновской аккрецией, серая пунктирная линия — если он вызван наличием чёрных дыр промежуточной массы. Как видно из графика, наблюдения подтверждают первую модель. Спектр в центре — источник Holmberg IX X-1. Спектр справа — источник NGC1313 X-2. Рисунок из обсуждаемой статьи

Телескопы предыдущих поколений, такие как XMM-Newton или Chandra, заметили некоторый «завал» графика спектрального распределения для энергий выше 10 кэВ. Однако невозможно было выяснить, насколько он реален, потому что 10 кэВ — это предел чувствительности этих телескопов: на такой энергии величина погрешности сопоставима с сигналом. Космические обсерватории INTEGRAL и Suzaku были способны принимать сигналы и более высоких энергий, но их детекторы не годились для того, чтобы построить изображение, — они всего лишь регистрировали всё излучение, приходящее из некоторой области на небе. Поэтому в их данных было трудно отделить сигнал источника от сигнала фона или сигналов других близкорасположенных объектов. Только с запуском космического рентгеновского телескопа NuSTAR, который успешно получал снимки источников с энергиями до 79 кэВ, стало возможно более детально изучить поведение спектра в области высоких энергий. Оказалось, что спад действительно присутствует (см. рис. 3), и, более того, форма его указывает на процесс комптонизации — явления, когда рентгеновские фотоны теряют свою энергию, проходя сквозь плотные холодные слои аккреционного диска (см. статью С. Н. Фабрики «Структура сверхкритического аккреционного диска»). А это склоняет учёных к тому, что большинство ультрамощных рентгеновских объектов — это всё-таки результат суперэддингтоновской аккреции.

Но есть и исключения: одно из них — это открытый в 2013 году объект М82 Х-1 в галактике М82 Сигара (см. Как были открыты черные дыры промежуточной массы?). По периодам его пульсаций была установлена масса чёрной дыры. Она составляет порядка 400 масс Солнца, что делает её самым вероятным кандидатом на роль чёрной дыры промежуточной массы. Однако это не все сюрпризы, которые подарила нам эта галактика. В 2014 году была опубликована статья An ultraluminous X-ray source powered by an accreting neutron star, авторы которой обнаружили, что хорошо известный ULX объект X-2 в этой галактике есть не что иное как аккрецирующая нейтронная звезда (рис. 4). Учёные не знали, может ли нейтронная звезда иметь такую гигантскую светимость в рентгене, так что сейчас активно предлагаются модели для объяснения этого открытия. Вероятно, тут имеет место либо гигантская по интенсивности аккреция (в 100 раз превышающая предел Эддингтона), либо узконаправленное излучение, вызванное сильнейшими магнитными полями нейтронной звезды.

Рис. 4. Снимок центральной части галактики M82, полученный телескопом NuSTAR. Источник X-1 — предположительно чёрная дыра промежуточной массы, X-2 — предаположительно нейтронная звезда с суперэддингтоновской аккрецией. Несмотря на абсолютно разную природу излучения, мощность обоих источников примерно одинакова. Изображение с сайта americaspace.com

В заключение, сравнивая результаты обсуждаемой статьи со знаменитым обзором рентгеновских источников Фенга и Сории (H. Feng, R. Soria, 2011. Ultraluminous X-ray sources in the Chandra and XMM-Newton era, доступен также в виде е-принта), вышедшем в 2011 году, можно сказать, что общее представление о природе подобных источников оказалось верным, хотя последние исследования смогли как уточнить отдельные модели и отдать предпочтение некоторым из них, так и сделать любопытные открытия (вроде рентгеновского источника, являющегося нейтронной звездой). А в свете скорого запуска японского космического телескопа Astro-H (2016 год), прибора e-Rosita, установленного на борту российской орбитальной обсерватории Спектр-РГ (запуск предположительно в 2017 году), а также рентгеновской обсерватории следующего поколения, Athena (запуск планируется на 2028 год) перспективы развития рентгеновской астрофизики выглядят весьма многообещающе.

Источник: Matteo Bachetti. Ultraluminous X-ray sources: three exciting years // Статья доступна как препринт arXiv:1510.05565 [astro-ph.HE].

Марат Мусин

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: