Ультрасветимые рентгеновские источники: их может быть во Вселенной намного больше

Ультрасветимые рентгеновские источники легко заметить, если смотреть на них прямо, но они могут быть скрыты от глаз, если хоть немного направлены в сторону от Земли.

Об этом рассказывают в НАСА.

Трудно не заметить световой луч от фонарика, направленного прямо на вас. Но свет, направленный со стороны, будет казаться значительно более тусклым. То же касается некоторых космических объектов: подобно фонарику, они излучают преимущественно в одном направлении и выглядят очень по-разному в зависимости от того, направлены ли лучи от Земли (и ближайших космических телескопов), или прямо на нее.

Новые данные от космической обсерватории NASA "NuSTAR" свидетельствуют о том, что это явление справедливо для некоторых наиболее выразительных рентгеновских излучателей в локальной Вселенной: ультрасветимых рентгеновских источников, или ULX.

Большинство космических объектов, включая звезды, излучают мало рентгеновского света, особенно в высокоэнергетическом диапазоне, который видит NuSTAR. ULX, наоборот, похожи на рентгеновские маяки, пробивающиеся сквозь темноту.

Чтобы считаться ULX, источник должен иметь рентгеновскую светимость, которая примерно в миллион раз ярче общего светового оттока Солнца (на всех длинах волн). ULX такие яркие, что их можно увидеть за миллионы световых лет в других галактиках.

Новое исследование показывает, что объект, который известен как SS 433, расположенный в галактике Млечный Путь только примерно за 20 000 световых лет от Земли, является ULX, несмотря на то, что он примерно в 1000 раз более тусклый, чем минимальный порог для того, чтобы считаться ULX.

Согласно исследованию, эта тусклость является обманом перспективы: высокоэнергетические рентгеновские лучи от SS 433 изначально ограничены двумя газовыми конусами, выходящими наружу с противоположных сторон центрального объекта. Эти конусы похожи на отраженную чашу, которая окружает лампочку фонарика: они загоняют рентгеновский свет от SS 433 в узкий пучок лучей, пока он не выйдет и не будет обнаружен NuSTAR. Но поскольку конусы не направлены прямо к Земле, NuSTAR не может увидеть полную яркость объекта.

"Мы давно подозреваем, что некоторые ULX излучают свет узкими колоннами, а не в любом направлении, как открытая лампочка", - сказал Мэтт Миддлтон, профессор астрофизики в Университете Саутгемптона в Великобритании и ведущий автор исследования. "В нашем исследовании мы подтверждаем эту гипотезу, показывая, что SS 433 может квалифицироваться как ULX для направленного на него наблюдателя".

Если ULX, расположенные относительно недалеко от Земли, могут скрыть свою истинную яркость через ориентацию, то, вероятно, больше ULX – особенно в других галактиках – замаскированы подобным образом. Это означает, что общая популяция ULX должна быть намного большей, чем ученые наблюдают в настоящее время.

Конус темноты

Около 500 ULX было обнаружено в других галактиках, и их удаленность от Земли означает, что часто почти невозможно сказать, какой тип объекта генерирует рентгеновское излучение.

Рентгеновские лучи, вероятно, происходят от большого количества газа, нагретого до экстремальных температур по мере его втягивания гравитацией очень плотного объекта. Таким объектом может быть либо нейтронная звезда (остатки коллапсировавшей звезды), или небольшая черная дыра, которая больше чем в 30 раз не превышает массу нашего Солнца.

Газ образует диск вокруг объекта, как вода вокруг стока. Трение на диске повышает температуру, заставляя ее излучать, иногда нагреваясь настолько, что система извергается рентгеновским излучением. Чем быстрее материал падает на центральный объект, тем ярче рентгеновское излучение.

Астрономы подозревают, что объект в центре SS 433 – черная дыра, примерно в 10 раз больше массы нашего Солнца. Точно известно, что она канибализирует большую соседнюю звезду, ее гравитация стремительно отводит материал: за один год SS 433 похищает у своего соседа эквивалент примерно 30-кратной массы Земли, что делает ее самой жадной черной дырой или нейтронной звездой из известных в нашей галактике.

"Давно известно, что эта штука питается с феноменальной скоростью", - говорит Миддлтон. "Это то, что отличает ULX от других объектов, и это, пожалуй, главная причина большого количества рентгеновского излучения, которое мы видим от них".

Объект в SS 433 имеет глаза крупнее желудка: он крадет больше материала, чем может поглотить. Часть излишков материала сдувается с диска и образует две полусферы на противоположных сторонах диска. Внутри каждой есть конусообразная пустота, которая открывается в космос. Именно эти конусы собирают высокоэнергетический рентгеновский свет в пучок лучей. Любой, кто смотрит прямо в один из конусов, увидит очевидный ULX. Хотя конусы состоят лишь из газа, конусы настолько толстые и массивные, что действуют как свинцовые панели в рентгеновском кабинете и препятствуют прохождению рентгеновских лучей через них в стороны.

Ученые подозревают, что по этой причине некоторые ULX могут быть скрыты от глаз. SS 433 дал уникальный шанс испытать эту идею, поскольку, подобно волчку, он качается вокруг своей оси – процесс, который астрономы называют прецессией.

Большую часть времени оба конуса SS 433 направлены в сторону от Земли. Но благодаря способу прецессии SS 433, один конус периодически слегка наклоняется в сторону к Земле, поэтому ученые могут видеть немного рентгеновского света, исходящий из вершины конуса.

Космический объект SS 433 содержит яркий источник рентгеновского света, окруженный двумя полушариями горячего газа. Газ загоняет свет в пучки, направленные в противоположные стороны от источника. SS 433 периодически наклоняется, в результате чего один рентгеновский пучок направляется в сторону Земли. © NASA/JPL-Caltech

В новом исследовании ученые изучили, как меняется рентгеновское излучение, увиденное NuSTAR, по мере движения SS 433. Они показывают, что если бы конус продолжал наклоняться к Земле, чтобы ученые могли заглянуть прямо в него, они увидели бы достаточно рентгеновского света, чтобы SS 433 официально называть "ULX".

Черные дыры, питающиеся очень быстро, сформировали историю нашей Вселенной. Сверхмассивные черные дыры, которые в миллионы-миллиарды раз превышают массу Солнца, могут сильно повлиять на свою галактику, когда они питаются. В начале истории Вселенной некоторые из этих массивных черных дыр могли питаться так же быстро, как SS 433, выпуская огромное количество радиации, которая переформировала местную среду. Оттоки (как конусы в SS 433) перераспределяли материю, из которой со временем могли образоваться звезды и другие объекты.

Но поскольку эти быстро поглощяющие бегемоты живут в невероятно удаленных галактиках (находящийся в сердце Млечного Пути сейчас почти не питается), они остаются тяжелыми для изучения. Благодаря SS 433 ученые нашли миниатюрный пример процесса, гораздо ближе к дому и гораздо проще для изучения, а NuSTAR предоставил новые представления об происходящей там активности.

Иллюстрация космического аппарата NuSTAR, который имеет 10-метровую мачту, отделяющую оптические модули (справа) от детекторов в фокальной плоскости (слева). Такое распределение необходимо для метода, используемого для обнаружения рентгеновских лучей. © NASA/JPL-Caltech

"Когда мы запускали NuSTAR, я не думаю, что кто-то ожидал, что ULX будут для нас такой богатой областью исследований", - сказала Фиона Харрисон, главный исследователь NuSTAR и профессор физики в Калтех в Пасадене, штат Калифорния. "Но NuSTAR уникален тем, что он может видеть почти весь диапазон рентгеновских длин волн, излучаемых этими объектами, и это дает нам представление об экстремальных процессах, которые, должно быть, движут ими".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.