Ul'tramoshnye rentgenovskie istochniki
7.02.2005 15:45 | S. B. Popov/GAISh, Moskva

Vseh nas privlekaet chto-nibud' sverh-edakoe! I astronomy nemalo potrudilis' nad pridumyvaniem nazvanii i terminov: sverhnovye, sverhsvetovoe dvizhenie (imeetsya vvidu relyativistskii effekt proekcii pri nablyudeniyah detalei v dzhetah), sverhpuzyri (super bubbles), sverhzvezdy, gipernovye ... Est' eshe mnozhestvo menee izvestnyh (i trudno perevodimyh) terminov. Zhelayushie mogut sami poiskat' ih naprimer s pomosh'yu poiskovoi sistemy NASA ADS. V poslednee vremya poyavlyaetsya vse bol'she nauchnyh statei o t.n. ul'tramoshnyh rentgenovskih istochnikah (ULX - ultra luminous X-ray sources). [Inogda nazvanie perevodyat kak ul'tra-yarkie, chto neverno, t.k. rech' idet ne o yarkosti, a imenno o moshnosti (svetimosti).] Interes vyzvan tem, chto kolichestvo nablyudatel'nyh dannyh po etim istochnikam rastet, a vot priroda ob'ektov ostaetsya neyasnoi.

Rentgenovskie istochniki bol'shoi svetimosti mogut voznikat' po raznym prichinam. V pervuyu ochered' v golovu prihodyat sistemy, gde idet moshnaya akkreciya. (Napomnim, chto effektivnost' akkercii mozhet dostigat' 40 procentov ot mc², chto v desyatki raz vyshe effektivnosti termoyadernogo goreniya.) Odin iz klassov takih ob'ektov - eto tesnye dvoinye sistemy, sostoyashie iz kompaktnogo ob'ekta (neitronnoi zvezdy ili chernoi dyry) i normal'noi zvezdy. Veshestvo s normal'nogo komponenta popadaet v pole tyagoteniya kompaktnogo (pri zapolnenii polosti Rosha ili cherez zvezdnyi veter) i, v konce koncov, esli veshestva ne slishkom mnogo, padaet na poverhnost' neitronnoi zvezdy ili provalivaetsya pod gorizont chernoi dyry. Pri etom izluchaetsya bol'shoe kolichestvo energii v vide zhestkogo rentgenovskogo izlucheniya.

Odnako esli temp akkrecii slishkom velik (a, sledovatel'no, velika i svetimost'), to davlenie izlucheniya okazyvaetsya bol'she, chem sila tyagoteniya, i vse veshestvo uzhe ne mozhet upast' na poverhnost' kompaktnogo ob'ekta. Odnovremenno spektr izlucheniya smeshaetsya v myagkuyu oblast', tak kak rentgen pogloshaetsya i pererabatyvaetsya v okruzhayushei kompaktnyi ob'ekt obolochke. Poetomu dlya kazhdogo ob'ekta sushestvuet nekotoryi predel svetimosti. Predel'naya svetimost' nazyvaetsya eddingtonovskoi (t.k. vpervye etu problemu rassmotrel Artur Eddington). Ona proporcional'na masse kompaktnogo ob'ekta i dlya 1 M_o ravna 1.3^.10³⁸ erg/s. Esli my vidim rentgenovskii istochnik so svetimost'yu poryadka L_X=10³⁹ erg/s, to sleduet dumat', chto v etom istochnike nahoditsya sushestvenno bolee massivnyi ob'ekt, chem standartnaya neitronnaya zvezda (s tipichnoi massoi 1.4 M_o). A esli svetimost' prevyshaet L_X=10⁴⁰-10⁴¹ erg/s, to dazhe dlya tipichnoi chernoi dyry s massoi 7-10 mass Solnca eto mnogovato. Otsyuda i voznikaet ul'tra- v nazvanii dannogo tipa istochnikov.

Istoriya ul'tramoshnyh nachalas' v 80-e gg. Togda s pomosh'yu sputnika Einstein uchenye smogli poluchat' izobrazheniya tochechnyh istochnikov v drugih galaktikah. Esli izvestno rasstoyanie do galaktiki, to po izmerennomu potoku mozhno nemedlenno poluchit' ocenku svetimosti:

gde d - rasstoyanie, a f - potok. Okazalos', chto sredi prochih nablyudayutsya ob'ekty so svetimost'yu >10³⁹ erg/s. V nachale (poskol'ku razreshenie priborov bylo eshe nedostatochno horoshim) schitali, chto istochniki nahodyatsya v centrah galaktik. Odnako dovol'no bystro udalos' vyyasnit', chto eto ne tak, t.e. oni ne yavlyayutsya kakim-to podvidom aktivnyh yader. Uzhe ROSAT pokazal celyi zoopark ul'tramoshnyh istochnikov, nahodyashihsya vne yader galaktik.

S samogo nachala bylo vyskazano neskol'ko gipotez o tom, kakie ob'ekty mogut skryvat'sya za obshim nazvaniem "ul'tramoshnye istochniki": ot ostatkov sverhnovyh do plotnyh skoplenii bolee slabyh istochnikov. Okonchatel'noi yasnosti s prirodoi ul'tramoshnyh istochnikov net do sih por. Chast' gipotez otbroshena, drugie poluchili bolee glubokuyu razrabotku. Pervoi otbroshennoi okazalas' gipoteza o sverhmassivnyh chernyh dyrah s nizkoi svetimost'yu. Delo v tom, chto takoi ob'ekt ne mozhet dolgo nahodit'sya vne centra galaktiki. Kak kakaya-nibud' vzves' v zhidkosti tyazhelaya chernaya dyra v konce koncov "vypadet v osadok" - smestitsya v samyi centr.

V nashei Galaktike akkreciruyushie ob'ekty so svetimost'yu v spokoinom sostoyanii (t.e. ne vo vremya vspyshechnoi aktivnosti) >10³⁹ neizvestny, t.e. blizkogo primera ul'tramoshnogo istochnika my ne vidim. Zato v sosednih oni nablyudayutsya vo vse vozrastayushem kolichestve. Poprobuem perechislit' osnovnye sovremennye gipotezy o prirode ul'tramoshnyh rentgenovskih istochnikov, i kratko obsudim ih.

Osnovnyh gipotez o prirode UMI (ul'tramoshnyh istochnikov) tri:

1. Eto prosto dalekie fonovye istochniki.
Vozmozhno, chto my vidim dalekie aktivnye yadra galaktik, kotorye prosto tak udachno sproecirovalis', chto my nablyudaem ih skvoz' bolee blizkie galaktiki. V etom sluchae nikakoi zagadki net: my prosto neverno rasschityvaem svetimost', t.k. schitaem, chto ob'ekt nahoditsya v nablyudaemoi galaktike, a na samom dele eto dalekaya sverhmassivnaya chernaya dyra - serdce dalekogo kvazara. T.e. v formule (1) my neverno ocenili rasstoyanie.

Odnako, kak my obsudim nizhe, hotya dlya chasti nablyudaemyh istochnikov eto mozhet byt' verno, tem ne menee dlya vseh UMI takoe prostoe ob'yasnenie ne podhodit: slishkom mala veroyatnost' sluchainoi proekcii na dovol'no neobychnuyu oblast' (naprimer, oblast' zvezdoobrazovaniya ili sharovoe skoplenie). Dannyi variant ob'yasneniya vazhen dlya ellipticheskih galaktik, gde trudno ozhidat' poyavleniya molodyh akkreciruyushih sistem s chernymi dyrami.

2. My vidim dzhet, napravlennyi pryamo na nas.
Obychno svetimost' rasschityvayut v predpolozhenii sfericheski-simmetrichnogo izlucheniya. No ne stoit zabyvat' pro to, chto izluchenie mozhet byt' napravlennym. Eto osobenno veroyatno v sluchae diskovoi akkrecii. V etom sluchae veshestvo vtekaet v ekvatorial'noi ploskosti kompaktnogo ob'ekta, a izbytok padayushei materii vybrasyvaetsya v vide dvuh strui v perpendikulyarnom disku napravlenii. Esli voznikaet struya veshestva i izlucheniya (dzhet), i my smotrim blizko k osi dzheta, to my budem videt' bol'shoi potok izlucheniya. Esli zhe my ne uchtem etot fakt, to pri pereschete na polnuyu svetimost' my poluchim sushestvenno zavyshennoe znachenie. T.e. v formule (1) my neverno ispol'zuem potok (on razlichen v raznyh napravleniyah, a potomu nel'zya prosto umnozhat' na 4π).

Eta gipoteza horosha tem, chto vse mozhno ob'yasnit' bez ekzotiki obychnymi neitronnymi zvezdami i chernymi dyrami: real'naya polnaya svetimost' okazhetsya na urovne 10³⁸-10³⁹ erg/s, a registrirovat' my budem moshnyi potok, idushii vdol' osi dzheta.

3. Akkreciya na chernye dyry promezhutochnyh mass.
Pozhalui, eto samaya intriguyushaya vozmozhnost'. Esli svetimost' velika, i my ne hotim imet' problemy s eddingtonovskim predelom, to mozhno predpolozhit', chto prosto massa akkretora velika. Deistvitel'no, esli svetimost' sostavlyaet 10⁴¹ erg/s, to eto vpolne ob'yasnimo pri masse kompaktnogo ob'ekta, ravnoi 1000 mass Solnca. Problema tol'ko v tom, gde takie ob'ekty vzyat'.

Nachnem obsuzhdenie s pervoi gipotezy o fonovyh istochnikah. Konechno, oni dolzhny byt'! Veroyatnost' sluchainoi proekcii ne mala, no vot naskol'ko ne mala? Podschitat' (ne vdavayas' v detali) neslozhno. Nuzhno vzyat' kolichestvo fonovyh istochnikov na edinicu ploshadi nebesnoi sfery i umnozhit' na ploshad' tipichnoi galaktiki. Poluchim ozhidaemoe chislo istochnikov na galaktiku. I eto chislo kachestvenno pozvolyaet ob'yasnit znachitel'nuyu dolyu UMI. Odnako ...

Odnako ul'tramoshnye istochniki lyubyat proyavlyat'sya v galaktikah s moshnym zvezdoobrazovaniem, prichem pryamo-pryamo v ochagah formirovaniya zvezd. Veroyatnost' proekcii na stol' vydelennoe mesto uzhe ne velika, t.k. mala ploshad' samoi oblasti zvezdoobrazovaniya. Poetomu polagayut, chto v takih sluchayah my imeem delo ne s fonovymi ob'ektami, a s molodymi tesnymi dvoinymi sistemami.

Drugoe delo ellipticheskie galaktiki. Tam molodyh massivnyh zvezd fakticheski net, poetomu poyavlenie UMI vyglyadit dostatochno zagadochnym. Statisticheskie issledovaniya pokazali, chto fakticheski vse UMI v ellipticheskih galaktikah rannih tipov mozhno ob'yasnit' proekciei bolee dalekih istochnikov. Vse krome nekotoryh osobyh sluchaev. Naprimer, v odnoi iz galaktik UMI nahodyatsya v sharovyh skopleniyah. Takoe sovpadenie uzhe ne ob'yasnyaetsya proekciei.

Pereidem k asimmetrii izlucheniya (k dzhetam). Istochniki s dzhetami horosho izvestny. Poetomu nichego osobenno neobychnogo tut net. Naprimer, est' znamenityi istochnik SS433, est' drugie mikrokvazary i mikroblazary. Popadi luch zreniya pryamo v dzhet, my uvideli by ochen' yarkii ob'ekt. Veroyatnost' etogo ne velika, no i ne mala. Krome togo, napravlennoe izluchenie pozvolyaet ob'yasnit' nekotorye spektral'nye svoistva UMI. Tak chto dannaya gipoteza yavlyaetsya, pozhalui, lidiruyushei (po-krainei mere v prilozhenii v istochnikam so svetimost'yu <10⁴⁰ erg/s, nahodyashimsya v oblastyah zvezdoobrazovaniya). Priyatno otmetit', chto rossiiskie uchenye (Sergei Fabrika i Aleksandr Mesheryakov) byli odnimi iz pervyh, kto nachal aktivno razrabatyvat' imenno etu gipotezu.

Nakonec, pogovorim o chernyh dyrah promezhutochnyh mass. Eta gipoteza byla predlozhena Kolbertom i Mushockim (E.J.M. Colbert, R.F. Mushotzky) v 1999 g. Osnovnaya problema etogo podhoda zaklyuchaetsya v tom, chto neponyatno otkuda voz'metsya dostatochnoe kolichestvo chernyh dyr s massami poryadka 100-1000 mass Solnca, i kak oni budut zahvatyvat' normal'nye zvezdy, veshestvo kotoryh budet potom akkrecirovat' na kompaktnyi ob'ekt.

Napomnim, chto obychno obsuzhdayut tri tipa chernyh dyr. Eto chernye dyry zvezdnyh mass (primerno 10 mass Solnca). Oni obrazuyutsya iz massivnyh zvezd, kogda v teh zakanchivaetsya termoyadernoe goryuchee. Zatem horosho izvestny sverhmassivnye chernye dyry v centrah galaktik (massy ot milliona do milliardov solnechnyh). I, nakonec, pervichnye chernye dyry, massy kotoryh neveliki (poryadka massy krupnogo asteroida). Vidno, chto interval 100-1000 mass solnca ostaetsya nezapolnennym.

Chto mozhno pridumat'? Vo-pervyh, dolgoe vremya obsuzhdalas' vozmozhnost' obrazovaniya chernyh dyr promezhutochnyh mass v centrah sharovyh skoplenii. Odnako zdes' est' svoi problemy, a krome togo takimi ob'ektami ne ob'yasnit' poyavlenie istochnikov v oblastyah zvezdoobrazovaniya. Chto eshe? Eshe chernye dyry s massami poryadka 100-200 mass solnca dolzhny obrazovyvat'sya iz samyh pervyh zvezd. Eti zvezdy rozhdalis' v oblakah gaza (po odnoi na oblako), kotorye sami nahodilis' v nebol'shih galo temnoi materii s massoi poryadka milliona mass Solnca. Zatem eti galo slivalis', postepenno formiruya galaktiki (t.n. scenarii ierarhicheskogo skuchivaniya). T.o. chernye dyry popadali v obychnye galaktiki. Schitaetsya, chto imenno iz nih nachali rasti central'nye sverhmassivnye dyry. Zdes' hochetsya obsudit' odin lyubopytnyi scenarii.

Bolee 20 let nazad Fitchett (M.J. Fitchett) ukazal, chto pri sliyanii dvuh chernyh dyr centr mass sistemy budet priobretat' impul's. Skorost' pri etom mozhet byt' dovol'no bol'shoi. Novye raschety pokazali, chto 100-200 km/s yavlyaetsya vpolne tipichnym znacheniem, a maksimal'noe mozhet dohodit' do 500 km/s. Pochemu eto vazhno dlya nashego obsuzhdeniya? A vot pochemu. Esli v rezul'tate sliyaniya galo dve chernye dyry takzhe slilis', to poluchivshayasya v rezul'tate chernaya dyra priobrela znachitel'nuyu skorost'. Ona mogla vyletet' iz obrazovavsheisya protogalaktiki, a mogla nachat' "boltat'sya" v galo. T.o. znachitel'naya chast' takih pervyh chernyh dyr (ne putat' s pervichnymi!) mogla ne voiti v nablyudaemye seichas sverhmassivnye chernye dyry, a ostat'sya v galaktike ili vyletet' v mezhgalakticheskoe prostranstvo. Massa takih "chernyh brodyag" dolzhna byt' poryadka 100-400 mass solnca.

Mozhno ocenit' chislo pervyh chernyh dyr. Ono okazyvaetsya bolee 10¹³. Eto mnogo. Esli schitat', chto vse oni ostalis' "boltat'sya" v galaktikah, to my poluchaem okolo 1000 na galaktiku. Konechno, znachitel'naya chast' iz nih vse-taki pokinet galaktiki ili poidet na formirovanie sverhmassivnyh chernyh dyr. No dazhe esli ostanetsya vsego lish' neskol'ko procentov, to etogo kolichestva budet dostatochno dlya ob'yasneniya statistiki naibolee moshnyh UMI (0.01 na galaktiku pri aktivnom vremeni zhizni istochnika v 10 millionov let). Problema tol'ko v tom, kak sdelat' tak, chtoby hotya by kazhdaya desyataya chernaya dyra mogla zahvatit' obychnuyu zvezdu (hotya by raz za 10 milliardov let).

Zahvatit' odinochnuyu zvezdu pochti nevozmozhno. Dlya chernoi dyry naibolee vernyi sposob zahvatit' zvezdu takov. Nado proletet' dostatochno blizko ot dvoinoi sistemy (na rasstoyanii v neskol'ko radiusov orbity ili men'she). Togda sistema mozhet razrushit'sya, i odna iz komponent budet zahvachena chernoi dyroi. Esli chernaya dyra vse vremya dvigaetsya vblizi ploskosti diska galaktiki, to veroyatnost' okazyvaetsya ne mala. Vopros tol'ko v tom, mozhno li pomestit' neobhodimoe chislo chernyh dyr na takie orbity. Otveta poka net. V ellipticheskih galaktikah dlya vysokoi veroyatnosti zahvata nuzhno, chtoby chernaya dyra kolebalas' vblizi galakticheskogo centra. Opyat' zhe dostignut' etogo neprosto. A vot v sharovyh skopleniyah takoi sposob zahvata daet dostatochno vysokuyu veroyatnost', no neyasno pochemu chernye dyry mogut okazat'sya v sharovom skoplenii.

V itoge voprosov bol'she chem otvetov. Kak eto chasto byvaet v astronomii, nesmotrya na obilie nablyudatel'nyh dannyh okonchatel'nogo ponimaniya net. Po vsei vidimosti, vse tri gipotezy mogut realizovyvat'sya v prirode. Fonovye istochniki obyazatel'no est', eto osobenno vazhno dlya ellipticheskih galaktik. V spiral'nyh galaktikah znachitel'naya chast' UMI mozhet byt' obychnymi mikrokvazarami s dzhetami, napravlennymi na nas. Nekotorye istochniki v ellipticheskih galaktikah, a takzhe v spiral'nyh vne oblastei zvezdoobrazovaniya, vpolne mogut byt' svyazany s chernymi dyrami promezhutochnyh mass.

---

Na risunkah privedeny izobrazheniya galaktik iz Cifrovogo Obzora neba s ukazaniem polozhenii moshnyh istochnikov. Znachki "H" oboznachayut istochniki so svetimost'yu, prevoshodyashei 10³⁹ erg/s. Plyusami (+) otmecheny istochniki so svetimost'yu >5 10³⁸ erg/s. Razmer odnogo kvadrata setki 1.2 uglovoi minuty (krome IZW 18, tam on sostavlyaet 0.24 minuty po pryamomu voshozhdeniyu i 0.18 - po skloneniyu).

Galaktiki NGC 4636, NGC 1132, NGC 4697, NGC 1399 yavlyayutsya ellipticheskimi, IZW 18 - nepravil'noi, ostal'nye - spiral'nye. Ellipsami otmecheny izofoty po 25-i velichine (tipichnyi sposob ukazaniya vidimyh razmerov galaktiki).

---

(V neskol'ko pererabotannom vide stat'ya opublikovana v zhurnale Zvezdochet.)

Publikacii s klyuchevymi slovami: akkreciya - dvoinye zvezdy - chernye dyry Publikacii so slovami: akkreciya - dvoinye zvezdy - chernye dyry
Sm. takzhe: Porfirion: samyi dlinnyi dzhet ot chernoi dyry Tumannost' Tyul'pan i chernaya dyra Lebed' X-1 Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Sliyanie dvuh chernyh dyr: modelirovanie Galaktika, dzhet i znamenitaya chernaya dyra Akkrecionnyi disk chernoi dyry: vizualizaciya Akkreciruyushaya chernaya dyra s dzhetom Vse publikacii na tu zhe temu >>