Определён механизм появления ультраярких рентгеновских источников

На прошедшей в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН Гинзбурговской конференции были обнародованы свежие данные, проясняющие происхождение ультраярких рентгеновских источников (ULX). С докладом выступал Сергей Фабрика, заведующий Лабораторией физики звёзд Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Ультраяркие источники были выделены в новый класс объектов в 2000 году, когда у астрономов появилась наблюдательная информация с рентгеновской орбитальной обсерватории «Чандра». Отличительной характеристикой ULX становится, естественно, повышенная рентгеновская светимость — 10³⁹–10⁴² эрг/с в диапазоне 0,5–100 кэВ. Эти цифры можно сравнить со светимостью целых галактик вроде Млечного Пути или М 31, в диапазоне 2–20 кэВ составляющей «всего» (0,5–1)•10⁴⁰ эрг/с.

Практически сразу стало ясно, что исключительную яркость ULX можно объяснить аккрецией на чёрные дыры. Параметры, необходимые для построения соответствующей модели, подбираются без проблем, поскольку светимости аккрецирующих чёрных дыр массой в 4–15 солнечных, которые находятся в двойных системах в нашей Галактике, измерены с достаточной точностью и достигают (если мы имеем в виду долговременное энерговыделение, а не пики вспышек) ~10³⁸ эрг/с. Известно также, что критическая (эддингтоновская) светимость аккрецирующей дыры, определяемая из условия равновесия между силами давления излучения и гравитационного притяжения газа чёрной дырой, составляет те же ≈10³⁸ эрг/с в пересчёте на одну массу Солнца.

Если эти значения сравнить с указанными выше характеристиками ULX, получим, что масса чёрных дыр, отвечающих ультраярким источникам, должна доходить до 10 000 солнечных. Подобные объекты, называемые дырами промежуточной массы, действительно могли образовываться в результате эволюции крупных звёзд, которые формировались в молодой Вселенной на красном смещении z = 15–25.

Система SS 433. Слева показаны аккреционный диск чёрной дыры и звезда-сверхгигант, а справа — струи вещества, выбрасываемого перпендикулярно диску со скоростью в ~80 000 км/с. Прецессия диска заставляет струи «извиваться». (Иллюстрация Mark Paternostro.)

Однако теоретические оценки частоты зарождения ULX по такой схеме оказываются слишком низкими. Это заставило астрофизиков разработать ещё одну модель, в которой ULX представляются как сверхкритические аккреционные диски в двойных системах с обычными чёрными дырами звёздной (~10 солнечных) массы. Сверхкритическая аккреция, как рассудили теоретики, порождает мощный ветер, истекающий с огромной скоростью, и две узкие струи вещества, формируемые в канале диска и выбрасываемые перпендикулярно последнему. Складывающаяся геометрия и объясняет возникновение ультраярких рентгеновских источников: предполагается, что их «реальная» светимость не так велика, но мы смотрим на них под небольшим углом к оси диска и наблюдаем излучение, которое не только коллимируется в канале, но и усиливается за счёт релятивистских эффектов.

В Млечном Пути сверхкритический режим аккреции могут в течение короткого времени поддерживать так называемые рентгеновские транзиенты (микроквазары). Постоянный сверхкритический аккреционный диск имеет только один объект в пределах Галактики — двойная система SS 433, найденная в 1979 году и состоящая из сверхгиганта массой в 20 солнечных и чёрной дыры, примерно на порядок превосходящей Солнце по массе. «Диск SS 433 прецессирует, поэтому мы можем наблюдать его с различных направлений относительно оси, — рассказывает г-н Фабрика. — Исследуя его с помощью российского телескопа БТА и других крупнейших мировых телескопов, мы с коллегами изучили канал в этом диске».

Кроме того, группа г-на Фабрики сняла спектры нескольких оптических двойников ультраярких источников на сравнительно малых расстояниях от Земли, не превышающих 10 Мпк (впрочем, даже на таких дистанциях астрономам потребовался один из самых мощных телескопов мира — 8-метровый японский «Субару»). Как оказалось, все исследованные звёзды имеют схожие спектры, сформированные в горячем ветре (температура газа — около 50 000 К, скорость ветра — около 1 000 км/с) и напоминающие известный спектр SS 433. Отсюда можно сделать вывод о том, что вторая модель появления ULX верна и они действительно представляют собой сверхкритические аккреционные диски в двойных системах, наблюдаемые под небольшим углом к оси дисков.

«Нам также удалось доказать, что ультраяркие рентгеновские источники принадлежат молодому и массивному звёздному населению, — продолжает Сергей Фабрика. — Связь между молодыми скоплениями и ULX была установлена при наблюдении взаимодействующих галактик NGC 4038 и NGC 4039. Возраст скоплений не превосходит пяти миллионов лет — а значит, массы звёзд — предшественников ультраярких источников превышали 50–70 солнечных».

Такие данные подтверждают современные теории развития звёздных скоплений. При коллапсе ядра скопления самые крупные звёзды должны опускаться в центр, а затем, в результате столкновений, оно будет выбрасывать двойные массивные светила, которые со временем сформируют охватывающее его «облако». Впоследствии эти звёзды вспыхивают как сверхновые и наблюдаются с Земли в виде ярких (и ультраярких) рентгеновских источников. В итоге часть источников оказывается не в скоплениях, а на расстоянии в 100–300 пк от них — именно там, где ULX иногда обнаруживали при наблюдении NGC 4038 и NGC 4039.

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.