Все о космосе

Рентгеновские источники

Всех нас привлекает что-нибудь сверх-эдакое. Вот и астрономов не миновало пристрастие к броским названиям и терминам: Сверхновые и гиперновые, сверхсветовое движение (релятивистский эффект проекции при наблюдениях деталей в джетах), сверх­пузыри, выдуваемые в межзвездном га­зе многократными вспышками Сверх­новых, сверхзвезды...

Как правило, за приставкой "ультра-" ("сверх-", "гипер-"...) скрываются бла­гоговение астрономов перед энергетикой объекта или его размерами. Не яв­ляются исключением и ультрамощные рентгеновские источники (ULX — ult­ra luminous X-ray sources), в последнее время привлекающие пристальное вни­мание ученых. Кстати, иногда их на­звание переводят как ультраяркие, но это неверно, так как речь идет не о яр­кости (характеристике протяженного объекта), а именно о мощности, кото­рую в астрономии называют светимос­тью. Все возрастающий интерес к ним вызван тем, что наблюдательных дан­ных по этим источникам становится все больше, а вот происхождение их ос­тается непонятным.

Рентгеновские источники могут иметь различную природу. В первую очередь это системы, где идет аккреция — один из самых эффективных процессов пере­работки вещества в излучение. Напом­ним, что "КПД" аккреции может дости­гать 40% от величины полной энергии, заключенной в веществе, что в де­сятки раз выше эффективности термоя­дерного горения. Простейшая аккреци­рующая система — это тесная двойная, состоящая из компактного объекта (ней­тронной звезды или черной дыры) и нор­мальной звезды. В процессе эволюции нормальная звезда либо становится ис­точником звездного ветра, либо расши­ряется и заполняет полость Роша — так или иначе ее вещество попадает в поле тяготения компактного объекта, закру­чивается в аккреционном диске и, в конце концов, падает на поверхность нейтронной звезды или проваливается под "горизонт событий" черной дыры. Кинетическая энергия падающего ве­щества вызывает его нагрев, поэтому раскаленный аккреционный диск излу­чает большое количество энергии в виде жестких рентгеновских квантов.

Чем больше вещества падает на ком­пактный объект, тем выше светимость диска. При определенном критическом значении темпа аккреции давление из­лучения сравнивается с силой тяготе­ния и задерживает падение новых пор­ций "топлива". Для каждого объекта существует некоторый предел свети­мости, который называется эддингтоновским, так как впервые эту проблему рассмотрел знаменитый английский астрофизик Артур Эддингтон. Предель­ная светимость пропорциональна массе компактного объекта и для 1 М0 равна примерно 1038 эрг/с. Предположив, что светимости аккреционных дисков близки к критическим значениям, дан­ные рентгеновских наблюдений можно использовать для оценки массы ком­пактных объектов. Например, если мы видим рентгеновский источник со све­тимостью 1039 эрг/с, логично будет предположить, что в этом источнике находится на порядок более массивный объект, чем типичная нейтронная звез­да. А что думать об источнике, поток энергии от которого превышает, ска­жем, 1041 эрг/с? Это многовато даже для черной дыры с массой больше 10 масс Солнца! Именно поэтому источни­ки с такой светимостью заработали приставку ультра- в своем названии.

История ультрамощных рентгенов­ских источников началась в 80-е гг. Тогда с помощью космического теле­скопа "Эйнштейн" ученые впервые по­лучили изображения точечных источ­ников жесткого излучения в других га­лактиках. Если известно расстояние до галактики, то по измеренному потоку нетрудно оценить светимость источни­ка. Оказалось, что среди обычных рент­геновских источников, входящих в сос­тав двойных систем, наблюдаются так­же объекты со светимостью, заметно превышающей 1039 эрг/с. Вначале (по­скольку разрешение приборов было еще недостаточно высоким) считали, что эти источники находятся в центрах галак­тик, то есть являются каким-то подвидом активных галактических ядер. Однако довольно быстро удалось выяснить, что это не так. С помощью другого космичес­кого рентгеновского инструмента — не­мецкого телескопа ROSAT — наблюда­тели обнаружили уже целый зоопарк ультрамощных источников, определен­но находящихся вне ядер галактик.

С самого начала было высказано несколько гипотез о том, что за объек­ты скрываются за общим названием ультрамощных источников (УМИ): ос­татки Сверхновых, плотные скопле­ния более слабых источников... Окон­чательной ясности с природой УМИ нет до сих пор. Часть гипотез отбро­шена, другие получили более глубо­кую проработку. Первой среди отброшенных оказалась гипотеза о сверх­массивных черных дырах с низкой светимостью. Дело в том, что такой объект не может долго находиться вне центра галактики. Как взвесь в жид­кости, тяжелая черная дыра в конце концов "выпадает в осадок" — смеща­ется в центр системы.

В нашей Галактике аккрецирующие объекты со светимостью в спокойном состоянии (не во время вспышечной ак­тивности) более 1039 эрг/с неизвестны, то есть близкого примера ультрамощного источника мы не видим. Зато в соседних звездных системах они наблюдаются во все возрастающем количестве — сейчас их известно уже больше сотни. Перечис­лим основные современные гипотезы о природе ультрамощных рентгеновских источников и кратко обсудим их.

Гипотезы изобретаю!

Основных гипотез о природе УМИ три.

1. Это просто далекие фоновые ис­точники.

Возможно, что мы видим далекие ак­тивные ядра галактик, которые просто так удачно спроецировались, что мы наблюдаем их сквозь более близкие га­лактики. В этом случае никакой загад­ки нет: мы просто неверно рассчитыва­ем светимость, так как считаем, что объект находится в наблюдаемой галактике, а на самом деле это более дале­кая сверхмассивная черная дыра — сердце квазара.

Такое простое объяснение может быть верно для части наблюдаемых ис­точников, но для всех УМИ оно не под­ходит, как мы убедимся чуть позже. Это объяснение важно для эллиптичес­ких галактик, где трудно ожидать по­явления аккрецирующих систем с чер­ными дырами.

2. Мы видим джет, направленный прямо на нас.

Обычно светимость рассчитывают в предположении сферически-симмет­ричного излучения. Но не стоит забы­вать о том, что излучение может быть направленным. Это особенно вероятно в случае дисковой аккреции, когда втека­ющее вещество образует тонкий диск в экваториальной плоскости компактно­го объекта, а избыток падающей мате­рии выбрасывается в виде двух струй, перпендикулярных этому диску. Если излучение усилено в направлении джета и луч зрения расположен близко к его оси, источник покажется нам очень мощным. Предположив, что он с той же интенсивностью светит во всех направ­лениях, мы получим существенно завы­шенное значение полной светимости.

Эта гипотеза хороша тем, что все можно объяснить без экзотики — обыч­ными нейтронными звездами и черны­ми дырами. Реальная полная свети­мость окажется на вполне обычном уровне 1038-1039 эрг/с, а регистрировать мы будем мощный поток, идущий вдоль оси джета.

3. Аккреция на черные дыры проме­жуточных масс.

Пожалуй, это самая интригующая возможность. Если светимость велика, а допускать возможность превышения эддингтоновского предела нам не хо­чется, почему бы не предположить, что велика масса аккретора? Действитель­но, светимость на уровне 1041 эрг/с вполне объяснима при массе компак­тного объекта, равной 1000 масс Сол­нца. Проблема только в том, как обос­новать существование таких объектов.