Ультрасвітні рентгенівські джерела: їх може бути у Всесвіті набагато більше

Ультрасвітні рентгенівські джерела легко помітити, якщо дивитися на них прямо, але вони можуть бути приховані від очей, якщо хоч трохи направлені в сторону від Землі.

Про це розповідають в НАСА.

Важко не помітити світловий промінь ліхтарика, спрямованого прямо на вас. Але те світло, що направлене збоку, здається значно тьмянішим. Те саме стосується деяких космічних об′єктів: подібно ліхтарику, вони випромінюють переважно в одному напрямку і виглядають дуже по-різному залежно від того, чи спрямовані промені від Землі (і найближчих космічних телескопів), або прямо на неї.

Нові дані від космічної обсерваторії NASA "NuSTAR" свідчать про те, що це явище справедливо для деяких найбільш виразних рентгенівських випромінювачів у локальному Всесвіті: ультрасвітніх рентгенівських джерел, або ULX.

Більшість космічних об′єктів, включаючи зорі, випромінюють мало рентгенівського світла, особливо у високоенергетичному діапазоні, який бачить NuSTAR. ULX, навпаки, схожі на рентгенівські маяки, що пробиваються крізь темряву.

Щоб вважатися ULX, джерело повинно мати рентгенівську світність, яка приблизно в мільйон разів яскравіша загального світлового відтоку Сонця (на всіх довжинах хвиль). ULX такі яскраві, що їх можна побачити за мільйони світлових років в інших галактиках.

Нове дослідження показує, що об′єкт, який відомий як SS 433, розташований у галактиці Чумацький Шлях лише приблизно за 20 000 світлових років від Землі, є ULX, попри те, що він приблизно у 1000 разів тьмяніший, ніж мінімальний поріг для того, щоб вважатися ULX.

Згідно з дослідженням, ця тьмяність є обманом перспективи: високоенергетичні рентгенівські промені від SS 433 початково обмежені двома газовими конусами, що виходять назовні з протилежних сторін центрального об′єкта. Ці конуси схожі на віддзеркалену чашу, яка оточує лампочку ліхтарика: вони заганяють рентгенівське світло від SS 433 у вузький пучок променів, поки він не вийде і не буде виявлений NuSTAR. Але оскільки конуси не спрямовані прямо до Землі, NuSTAR не може побачити повну яскравість об’єкта.

"Ми давно підозрюємо, що деякі ULX випромінюють світло вузькими колонами, а не в будь-якому напрямку, як оголена лампочка", - сказав Метт Міддлтон, професор астрофізики в Університеті Саутгемптона у Великобританії та провідний автор дослідження. "У нашому дослідженні ми підтверджуємо цю гіпотезу, показуючи, що SS 433 може кваліфікуватися як ULX для направленого на нього спостерігача".

Якщо ULX, розташовані відносно недалеко від Землі, можуть приховати свою справжню яскравість через орієнтацію, то, ймовірно, більше ULX – особливо в інших галактиках – замасковані подібним чином. Це означає, що загальна популяція ULX повинна бути набагато більшою, ніж вчені спостерігають на даний час.

Конус темряви

Близько 500 ULX було виявлено в інших галактиках, і їх віддаленість від Землі означає, що часто майже неможливо сказати, який тип об′єкта генерує рентгенівське випромінювання.

Рентгенівські промені, ймовірно, походять від великої кількості газу, нагрітого до екстремальних температур у міру його втягування гравітацією дуже щільного об′єкта. Таким об′єктом може бути або нейтронна зоря (залишки сколапсованої зорі), або невелика чорна діра, яка більше ніж у 30 разів не перевищує масу нашого Сонця.

Газ утворює диск навколо об’єкта, як вода навколо стоку. Тертя на диску підвищує температуру, змушуючи її випромінювати, іноді нагріваючись настільки, що система вивергається рентгенівським випромінюванням. Чим швидше матеріал падає на центральний об′єкт, тим яскравіше рентгенівське випромінювання.

Астрономи підозрюють, що об′єкт в центрі SS 433 – чорна діра, приблизно в 10 разів більша за масу нашого Сонця. Що точно відомо, що вона канібалізує велику сусідню зірку, її гравітація стрімко відводить матеріал: за один рік SS 433 викрадає у свого сусіда еквівалент приблизно 30-кратної маси Землі, що робить її найжадібнішою чорною дірою або нейтронною зорею з відомих у нашій галактиці.

"Давно відомо, що ця штука харчується з феноменальною швидкістю", - каже Міддлтон. "Це те, що відрізняє ULX від інших об′єктів, і це, мабуть, головна причина великої кількості рентгенівського випромінювання, яке ми бачимо від них".

Об’єкт у SS 433 має очі більші за шлунок: він краде більше матеріалу, ніж може поглинути. Частина надлишків матеріалу здувається з диска й утворює дві півсфери на протилежних сторонах диска. Усередині кожної є конусоподібна порожнеча, яка відкривається у космос. Саме ці конуси збирають високоенергетичне рентгенівське світло у пучок променів. Будь-хто, хто дивиться прямо в один із конусів, побачить очевидний ULX. Хоча конуси складаються лише з газу, конуси настільки товсті й масивні, що діють як свинцеві панелі в рентгенівському кабінеті та перешкоджають проходженню рентгенівських променів через них у сторони.

Вчені підозрюють, що з цієї причини деякі ULX можуть бути приховані від очей. SS 433 дав унікальний шанс випробувати цю ідею, оскільки, подібно до дзиґи, він хитається навколо своєї осі – процес, який астрономи називають прецесією.

Більшу частину часу обидва конуси SS 433 направлені в сторону від Землі. Але завдяки способу прецесії SS 433, один конус періодично злегка нахиляється у сторону до Землі, тому вчені можуть бачити трохи рентгенівського світла, що виходить з вершини конуса.

Космічний об′єкт SS 433 містить яскраве джерело рентгенівського світла, оточене двома півкулями гарячого газу. Газ заганяє світло у пучки, спрямовані в протилежні сторони від джерела. SS 433 періодично нахиляється, внаслідок чого один рентгенівський пучок спрямовується у сторону Землі. © NASA/JPL-Caltech

У новому дослідженні вчені вивчили, як змінюється рентгенівське випромінювання, побачене NuSTAR, у міру руху SS 433. Вони показують, що якби конус продовжував нахилятися до Землі, щоб вчені могли зазирнути прямо в нього, вони побачили б достатньо рентгенівського світла, щоб SS 433 офіційно називати "ULX".

Чорні діри, які живляться з надзвичайною швидкістю, сформували історію нашого Всесвіту. Надмасивні чорні діри, які в мільйони-мільярди разів перевищують масу Сонця, можуть сильно вплинути на свою галактику, коли вони харчуються. На початку історії Всесвіту деякі з цих масивних чорних дір могли харчуватися так само швидко, як SS 433, випускаючи величезну кількість радіації, яка переформувала місцеве середовище. Відтоки (як конуси в SS 433) перерозподіляли матерію, з якої з часом могли утворитися зорі та інші об′єкти.

Але оскільки ці швидкопоглинальні бегемоти мешкають у неймовірно віддалених галактиках (той, що знаходиться в серці Чумацького Шляху, зараз майже не харчується), вони залишаються важкими для вивчення. Завдяки SS 433 вчені знайшли мініатюрний приклад цього процесу, набагато ближчого до дому та набагато простішого для вивчення, а NuSTAR надав нові уявлення про активність, що відбувається там.

Ілюстрація космічного апарату NuSTAR, який має 10-метрову щоглу, що відокремлює оптичні модулі (праворуч) від детекторів у фокальній площині (ліворуч). Такий розподіл необхідний для методу, що використовується для виявлення рентгенівських променів. © NASA/JPL-Caltech

"Коли ми запускали NuSTAR, я не думаю, що хтось очікував, що ULX будуть для нас такою багатою областю досліджень", - сказала Фіона Гаррісон, головний дослідник NuSTAR і професор фізики в Калтех в Пасадені, штат Каліфорнія. "Але NuSTAR унікальний тим, що він може бачити майже весь діапазон рентгенівських довжин хвиль, що випромінюються цими об′єктами, і це дає нам уявлення про екстремальні процеси, які можливо рухають ними".

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.