Ультрамощные рентгеновские источники

С.Б.Попов

ГАИШ

Москва

Всех нас привлекает что-нибудь сверх-эдакое! И астрономы немало потрудились над придумыванием названий и терминов: сверхновые, сверхсветовое движение (имеется ввиду релятивистский эффект проекции при наблюдениях деталей в джетах), сверхпузыри (super bubbles), сверхзвезды, гиперновые ... Есть еще множество менее известных (и трудно переводимых) терминов. Желающие могут сами поискать их например с помощью поисковой системы NASA ADS. В последнее время появляется все больше научных статей о т.н. ультрамощных рентгеновских источниках (ULX - ultra luminous X-ray sources). Иногда название переводят как ультра-яркие, что неверно, т.к. речь идет не о яркости, а именно о мощности). Интерес вызван тем, что количество наблюдательных данных по этим источникам растет, а вот природа объектов остается неясной.

Рентгеновские источники большой светимости могут возникать по разным причинам. В первую очередь в голову приходят системы, где идет мощная аккреция. (Напомним, что эффективность аккерции может достигать 40 процентов от mc2, что в десятки раз выше эффективности термоядерного горения.) Один из классов таких объектов - это тесные двойные системы, состоящие из компактного объекта (нейтронной звезды или черной дыры) и нормальной звезды. Вещество с нормального компонента попадает в поле тяготения компактного (при заполнении полости Роша или через звездный ветер) и, в конце концов, если вещества не слишком много, падает на поверхность нейтронной звезды или проваливается под горизонт черной дыры. При этом излучается большое количество энергии в виде жесткого рентгеновского излучения.

Однако если темп аккреции слишком велик (а, следовательно, велика и светимость), то давление излучения оказывается больше, чем сила тяготения, и все вещество уже не может упасть на поверхность компактного объекта. Одновременно спектр излучения смещается в мягкую область, так как рентген поглощается и перерабатывается в окружающей компактный объект оболочке. Поэтому для каждого объекта существует некоторый предел светимости. Предельная светимость называется эддингтоновской (т.к. впервые эту проблему рассмотрел Артур Эддингтон). Она пропорциональна массе компактного объекта и для 1 Mo равна 1.3.1038 эрг/с. Если мы видим рентгеновский источник со светимостью порядка LX=1039 эрг/с, то следует думать, что в этом источнике находится существенно более массивный объект, чем стандартная нейтронная звезда (с типичной массой 1.4 Mo). А если светимость превышает LX=1040-1041 эрг/с, то даже для типичной черной дыры с массой 7-10 масс Солнца это многовато. Отсюда и возникает ультра- в названии данного типа источников.

История ультрамощных началась в 80-е гг. Тогда с помощью спутника Einstein ученые смогли получать изображения точечных источников в других галактиках. Если известно расстояние до галактики, то по измеренному потоку можно немедленно получить оценку светимости:

L=4*π* d2 *f, (1)

где d - расстояние, а f - поток. Оказалось, что среди прочих наблюдаются объекты со светимостью >1039 эрг/с. В начале (поскольку разрешение приборов было еще недостаточно хорошим) считали, что источники находятся в центрах галактик. Однако довольно быстро удалось выяснить, что это не так, т.е. они не являются каким-то подвидом активных ядер. Уже ROSAT показал целый зоопарк ультрамощных источников, находящихся вне ядер галактик.

С самого начала было высказано несколько гипотез о том, какие объекты могут скрываться за общим названием "ультрамощные источники": от остатков сверхновых до плотных скоплений более слабых источников. Окончательной ясности с природой ультрамощных источников нет до сих пор. Часть гипотез отброшена, другие получили более глубокую разработку. Первой отброшенной оказалась гипотеза о сверхмассивных черных дырах с низкой светимостью. Дело в том, что такой объект не может долго находиться вне центра галактики. Как какая-нибудь взвесь в жидкости тяжелая черная дыра в конце концов "выпадет в осадок" - сместится в самый центр.

В нашей Галактике аккрецирующие объекты со светимостью в спокойном состоянии (т.е. не во время вспышечной активности) >1039 неизвестны, т.е. близкого примера ультрамощного источника мы не видим. Зато в соседних они наблюдаются во все возрастающем количестве. Попробуем перечислить основные современные гипотезы о природе ультрамощных рентгеновских источников, и кратко обсудим их.

Основных гипотез о природе УМИ (ультрамощных источников) 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, т.к. считаем, что объект находится в наблюдаемой галактике, а на самом деле это далекая сверхмассивная черная дыра - сердце далекого квазара. Т.е. в формуле (1) мы неверно оценили расстояние.

Однако, как мы обсудим ниже, хотя для части наблюдаемых источников это может быть верно, тем не менее для всех УМИ такое простое объяснение не подходит: слишком мала вероятность случайной проекции на довольно необычную область (например, область звездообразования или шаровое скопление). Данный вариант объяснения важен для эллиптических галактик, где трудно ожидать появления молодых аккрецирующих систем с черными дырами.