Большинство ультрамощных рентгеновских источников в галактиках — обычные черные дыры

Рис. 1. Ультрамощный рентгеновский источник XMMU J004243.6+412519

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

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 рентгеновских источников

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

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


32
Показать комментарии (32)
Свернуть комментарии (32)

  • PavelS  | 11.12.2015 | 18:24 Ответить
    эрг/с - что за ужасный язык? Давайте мощность либо в ваттах, либо в лошадиных силах. Если лошадок не любите, то таки ватты. Всех людей учат в школах в системе СИ, все величины для сравнения люди помнят тоже вроде как в этой системе.
    Ответить
    • Игорь Иванов > PavelS | 11.12.2015 | 18:50 Ответить
      На мой взгляд, серьезная научная новость — это не только перечисление фактов, но и ненавязчивое приглашение познакомиться с общепринятым жаргоном. В астрофизике общеприняты именно такие единицы, и если есть желание в будущем что-то читать самостоятельно, то полезно привыкнуть к типичным масштабам именно в них.
      Ответить
      • samara > Игорь Иванов | 12.12.2015 | 01:26 Ответить
        мне тоже очень не нравится СГС, приходится каждый раз перекалькулировать, это усложняет читабельность. ну я понимаю, у астрономов так принято, и считать так легче, но в популярных статьях хотелось бы нормальные величины.. в конкретной статье особо много переводить не надо, но в других, где много цыфорок это тяжелее.
        кста, у теоретиков ФВЭ тоже чёрт ногу сломит в их размерностях)))
        да и по-моему у всех направлений науки есть внутренние стандарты, но целевую аудиторию учили то на СИ.

        ПС: статья понравилась, спасибо
        Ответить
        • dims > samara | 13.12.2015 | 00:25 Ответить
          О чём Вы говорите? Во всех эти сферах размерности выбраны УДОБНЫЕ. Ногу там сломать можно, но размерности эту вероятность, как раз, снижают.
          Ответить
    • maratmus > PavelS | 11.12.2015 | 21:19 Ответить
      Павел, лошадиные силы, миллиметры ртутного столба и диагональ в дюймах - это ни разу не СИ, однако это не мешает вам ориентироваться в этих величинах.
      Понимаю, что изначально единицы "эрг в секунду" вам могут быть непонятны, именно для этого в начале статьи есть сравнение мощности ULX и Галактики, чтобы ориентироваться в порядках величин.
      Ответить
    • GaribalDI > PavelS | 11.12.2015 | 22:55 Ответить
      неужели только я слышу шутку или сарказм в этих словах? авторы нет? отвечают всерьёз
      Ответить
      • dims > GaribalDI | 13.12.2015 | 00:22 Ответить
        Кстати возможно.
        Ответить
    • niki > PavelS | 12.12.2015 | 12:24 Ответить
      Хороший вопрос. А что делать? Переход на СИ, при всех усилиях, не состоялся. Нужна еще одна грандиозная попытка. Только общая. Бессмысленно говорить по мелочам. Только все одновременно могут это сделать. Но как такое устроить?

      А по конкретным случаям, так я первый сопротивляюсь. Вот у нас калории приняты. И будут калории. Если не будет всеобщего перехода в час 0.
      Нечего хаос устраивать. Пока что должно быть так как написано в большинстве статей, программ, журналов.
      Ответить
      • GaribalDI > niki | 12.12.2015 | 12:58 Ответить
        а зачем единообразие? когда вы в континентальной европе наконец поймёте, что евроатлантическая цивилизация, плодами которой вы все пользуетесь, фундаментально построена на свободе и разнообразии? и это касается вообще всего, не только единиц измерений
        Ответить
      • dims > niki | 13.12.2015 | 00:23 Ответить
        СГС -- система, удобная для учёных. А СИ -- удобная для инженеров. Когда будем строить аккреционные электростанции, тогда на СИ перейдём и тут.
        Ответить
        • niki > dims | 13.12.2015 | 00:34 Ответить
          Ученые это те кто ядерной физикой занимается, а остальные не?
          Ответить
          • dims > niki | 13.12.2015 | 09:40 Ответить
            В смысле? Те, кто ядерной физикой занимается -- это подмножество учёных. "Остальные" могут быть как учёными, так и не учёными. Назовите конкретно, кого Вы имеете в виду?
            Ответить
        • PavelS > dims | 13.12.2015 | 09:45 Ответить
          Интересно, а чем СГС так удобна ученым? Звезду удобней взвешивать в граммах чем в килограммах? Т.е. в чем принципиальное различие инженерных и научных расчетов? Раньше да, я замечал что некоторые странные люди используют СГС, но я считал это отсталостью традиций и "старой школой", сейчас вижу что эти люди даже не собираются что-то менять. Про лошадок я разумеется пошутил - хотел сказать, что если вы не такой дикарь, чтобы в локтях-аршинах что-то мерить, то лучше бы мерить всё в СИ.
          Периход на СИ в одночасье не нужен. Всё делается по этапам 1) школа только на СИ, СГС под запретом (уже сделано) 2) институт только на СИ (тоже у нас так было, не знаю как у вас) 3) популярные статьи только на СИ (тут фэйл) 4) сменится поколение ученых, и они тоже тайком от своих старших коллег начнут всё на СИ переводить

          В школе было всё дано грамотно, все величины сразу переводятся в СИ, потом уже считаешь.
          Ответить
          • dims > PavelS | 13.12.2015 | 10:23 Ответить
            Всеобщий переход на СИ -- это противоположная крайность. Учёный должен выбирать ту систему, которая ему удобней. Удобство подразумевает простоту измерения и формул. А простота сокращает трудозатраты в работе учёного.

            Например, в астрономии есть такие единицы, так "парсеки". Эта единица простым образом получается в процессе измерения расстояний до ближайших звёзды. Если заменить тут единицы на километры, потребуется выполнять лишнюю работу по переводу.

            А "эрги" можно просто считать синонимом "сотней наноджоулей".
            Ответить
            • samara > dims | 14.12.2015 | 01:16 Ответить
              световой год отличная единица в замен парсекам, а лярды километров - а.е... (а когда много - N* 500 световых секунд, в принципе годится)
              N * 10МЭрг в джоулях тоже нормально.
              Ответить
              • dims > samara | 14.12.2015 | 12:33 Ответить
                Световой год тоже не относится к СИ.
                Ответить
              • samara > samara | 14.12.2015 | 17:59 Ответить
                да я вкурсе, но хотя бы так))
                Ответить
          • niki > PavelS | 13.12.2015 | 10:54 Ответить
            "тоже у нас так было, не знаю как у вас"

            Вот вы и ответили. На вашей планете сделано, а на нашей нет.
            Ответить
          • Gli4i > PavelS | 13.12.2015 | 22:10 Ответить
            СИ объективно неудобна для электродинамики, куча констант, взятых с потолка. Сравните запись уравнений Максвелла.

            Если спуститься чуть глубже, то в атомной физике поверх накручивают атомные единицы m_e=e=\hbar=1, а в КЭД — \hbar=c=1. Но в законе Кулона константа отсутствует.

            СИ может быть полезна тогда, когда надо подставить конкретное значение и получить число, на этапе работы с формулами она вредна. Теорфизику на СИ, ИМХО, не будут преподавать никогда. Уже пункт 2 вашего плана выпадает.

            P.S. Как-то у меня комментарии криво отображаются. Если что — это был ответ на 13.12.2015 09:45 | PavelS .
            Ответить
            • samara > Gli4i | 18.12.2015 | 17:12 Ответить
              Мы не о том говорим. Считать на СИ никто не просит, как удобно так и нужно считать,безусловно. Просто в популярных статьях нужно писать в нормальных размерностях, которые знает подавляющее большинство читатилей, имхо.

              мы не про данную статью... просто почти везде это так, и это неудобно (

              и ПС комментарии помоему у всех слетели ещё давно
              Ответить
          • samara > PavelS | 14.12.2015 | 01:13 Ответить
            Павел, там расчёты на самом деле в их формулах упрощаются
            Ответить
      • PavelS > niki | 13.12.2015 | 09:42 Ответить
        Между тем даже мощность двигателей автомобилей сейчас записывают не только в лошадках, но и в кВт.
        Ответить
    • radion > PavelS | 12.12.2015 | 14:23 Ответить
      Действительно, у нас и баррель не многие знают , а эрг, это вообще что? ) хорошо, китайцы своих национальных величин не навязывают миру.
      Ответить
    • dims > PavelS | 13.12.2015 | 00:21 Ответить
      Один ватт равен в точности десяти миллионам эргов в секунду. Так что хотите в ваттах -- просто уберите 7 нулей.
      Ответить
  • velimudr  | 11.12.2015 | 20:43 Ответить
    Огромное спасибо за статью. уже сильно соскучился по качественным популярным материалам по космической тематике.
    Ответить
    • maratmus > velimudr | 11.12.2015 | 21:20 Ответить
      И вам спасибо за добрые слова.
      Ответить
  • Дремучий  | 12.12.2015 | 00:27 Ответить
    Ну вот смеялись тут недавно надо мной, когда я спросил про неизвестного компаньона Солнца (она же планета Нибиру), ну вот вам пожалуйста, обтекайте от сенсации: http://arxiv.org/abs/1512.02652
    Ответить
    • abbruddle > Дремучий | 12.12.2015 | 19:10 Ответить
      Спокойно! Впервые в истории документально зафиксировано существование чайника Рассела.
      Ответить
      • dims > abbruddle | 13.12.2015 | 00:24 Ответить
        Это, скорее, микроволновка Рассела!
        Ответить
  • radion  | 12.12.2015 | 14:27 Ответить
    Удивительно, что их так мало, и в нашей галактике ни одного. Видимо, они светят очень не долго.
    Ответить
    • dims > radion | 13.12.2015 | 00:24 Ответить
      Возможно, мы живы только по этой причине :)
      Ответить
  • nicolaus  | 19.12.2015 | 14:34 Ответить
    Меня давно интересует вопрос, как устроено магнитное поле у объектов, которые испускают джеты. Есть предположение, что магнитное поле этих объектов является квадрупольным. В статье в “Astronews” http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=5063 на рисунке показано магнитное поле джета. Магнитные линии джета представляют собой спираль, намотанную по оси джета. При этом спираль не меняет направление закрутки переходя через черную дыру. Если смотреть в сторону черной дыры с правого или левого конца джета, то получается, что магнитное поле джета закручено в одну строну – по часовой стрелке. Логично предположить, что лучи джета относительно черной дыры являются полностью симметричными. Помимо симметричной закрутки магнитного поля и направлений движения вещества, симметрична относительно черной дыры также осевая составляющая магнитного поля лучей джета. В этом случае у черной дыры в точках испускания джета будет один магнитный полюс. Т.е. магнитное поле дыры является квадрупольным.
    Хотя, вполне возможно, что рисунок “Astronews” является только фантазией художника.
    Меня интересует мнение по этому поводу специалиста. Прошу извинить, что опоздал с этим вопросом.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»