Рубрика: Публикации

Уникальная симбиотическая рентгеновская двойная в Галактике открыта телескопом ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ».

Ярчайшие рентгеновские источники в нашей Галактике (если не брать в расчет центральную дремлющую сверхмассивную черную дыру Sgr A*) — это рентгеновские двойные. Так называют звездные системы, в которых вещество с обычной звезды перетекает на компактный объект — черную дыру или нейтронную звезду.

Исторически в астрофизике прижилось разделение таких систем на два подкласса: массивные и маломассивные двойные. В системах первого типа (HMXB, high-mass X-ray binaries) звездой-донором выступают молодые, горячие звезды — гиганты или сверхгиганты O-B-A классов. В маломассивных двойных (LMXB, low-mass X-ray binaries) аккрецию питают гораздо более старые и легкие звезды поздних классов. Например, в системах с очень быстро вращающимися нейтронными звездами находят белые карлики с массой около одного процента от солнечной, т.е. всего в десять раз тяжелее Юпитера!

Однако уже в конце 1970-х годов выяснилось, что донорами в системах с нейтронными звездами могут быть и красные гиганты. Эти большие и достаточно рыхлые звезды теряют большýю часть своей массы в виде плотного, медленного звездного ветра, который и перехватывается нейтронной звездой.

Такие системы, названные симбиотическими рентгеновскими двойными, оказались достаточно редкими и достаточно сложными для изучения. Несмотря на то, что расчеты, проведенные в ГАИШ МГУ, показывают, что в Галактике должно быть около 300 таких объектов, к настоящему дню удалось обнаружить всего около дюжины подобных систем, включая еще не подтвержденные. Это вызвано тем, что рентгеновская светимость при аккреции вещества из ветра оказывается не очень высокой (10³³-10³⁶ эрг с^-1), а сам плотный ветер эффективно поглощает мягкое рентгеновское излучение, «пряча» подобные системы. Кроме того, как и для большинства других Галактических объектов, часто оказывается сложно отождествить рентгеновский источник с конкретной звездой, наблюдаемой в видимом свете или в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне.

В апреле 2021 года, телескоп ART-XC имени М.Н. Павлинского космической обсерватории «Спектр-РГ» нашел новый достаточно яркий рентгеновский транзиент, расположенный неподалеку от Галактического балджа (центральной области). Благодаря данным второго телескопа eROSITA на борту «Спектра-РГ» удалось улучшить локализацию нового источника, что позволило предположить, что его оптическим компаньоном является яркая красная звезда, отлично видимая в инфракрасном диапазоне. Однако это предположение еще предстояло проверить.

Эта проверка стала возможна благодаря уникальным данным коллаборации Palomar Gattini-IR, которая проводит регулярный мониторинг неба используя широкопольный телескоп малой апертуры (всего 30 см!), работающий в ближнем ИК-диапазоне. Из полученных данных следовало, что предложенная красная звезда демонстрирует значительную переменность, нерегулярно изменяя свой блеск в несколько раз в течение нескольких месяцев. Оптическая спектрометрия, полученная на 60-дюймовом (1.5 м) телескопе Паломарской обсерватории, указала на наличие в спектре эмиссионной линии водорода Hɑ, а также особенностей, характерных для красных гигантов. Таким образом, свежеоткрытый источник SRGA J181414.6-225604 (аббревиатура SRGA обозначает, что источник впервые был обнаружен телескопом ART-XC обсерватории «Спектр-РГ») сразу же стал еще одним кандидатом в симбиотические рентгеновские двойные. Но оставалось еще много вопросов. Например, чем была вызвана такая сильная переменность в инфракрасном диапазоне? Наблюдался ли этот источник в рентгеновском диапазоне ранее, и если нет, то почему? Что за звезда питает аккрецию в этой системе и какова природа компактного объекта?

Ответам на эти и многие другие вопросы посвящена статья большого коллектива исследователей, включающего российских ученых из команды ART-XC, под руководством Кишалая Де (Kishalay De), лауреата стипендии им. Эйнштейна из Массачусетского технологического института (США). Благодаря проведенной наблюдательной программе, в которой было задействовано несколько крупных наземных телескопов, таких как 6.5-метровый телескоп Magellan и 200-дюймовый (5 м) Паломарский телескоп, а также несколько рентгеновских обсерваторий, удалось узнать несколько весьма любопытных подробностей об этой системе.

Во-первых, звездой-донором действительно оказался красный гигант, да не простой, а принадлежащий к классу мирид — пульсирующих звезд, которые то увеличиваются (незначительно остывая), то снова сжимаются, изменяя при этом свой блеск в разы-десятки тысяч раз. Период таких изменений составляет сотни или даже тысячи дней. Сочетание большой амплитуды переменности и длинного периода делает такие звезды особенно удобными для наблюдений (неслучайно прототип этого класса — Омикрон Кита стала в XVI веке первой открытой переменной звездой). Звезда-донор в системе SRGA J181414.6-225604 оказалась миридой с нетипично длинным периодом — чуть больше 4 лет, и очень далекой — она расположена на расстоянии в 15 кпк от Солнечной системы, т.е. почти на другом конце Галактики!

Во-вторых, и фотометрические, и спектрометрические данные однозначно указали на наличие избыточного ИК-излучения. Чтобы объяснить этот избыток, а заодно и загадочное поведение кривой блеска в ближнем ИК-диапазоне, было выдвинуто предположение о том, что оба этих феномена связаны с мощным пылевым выбросом. Такие выбросы наблюдаются на красных гигантах и сверхгигантах, например, буквально недавно похожий пылевой выброс привел к Великому потемнению Бетельгейзе. Проведенное компьютерное моделирование подтвердило, что эволюция цвета и наблюдаемой яркости звезды действительно может быть объяснена эпизодом пылеобразования, в котором родилось около 10-5 M⊙ (2х1022 кг) силикатной пыли, с характерным размером пылинки в долю микрона. Эпизод пылеобразования начался примерно за два года до пика рентгеновской вспышки и, судя по всему, и стал её причиной. Медленный звездный ветер за несколько сотен дней «пригнал» пыль к компактному объекту (его природу пока надежно установить не удалось) и спровоцировал резкий рост темпа аккреции. Это привело к увеличению рентгеновской светимости, что и позволило телескопу ART-XC им. М.Н. Павлинского обнаружить источник. После нескольких месяцев «активной» аккреции источник опять начал затухать и почти вернулся обратно в «низкое» состояние.

«Обнаруженная система оказывается довольно редким случаем симбиотической рентгеновской двойной, в которой компактный объект расположен достаточно далеко от своей звезды-донора, из-за чего ему «достается» мало вещества, а значит и рентгеновская светимость в обычном состоянии низкая. Но пылевые выбросы, подобные тому, что произошел в системе в 2019 году могут резко увеличить темп аккреции, сделав систему более заметной — главное успеть найти её за этот не очень долгий промежуток времени!» — говорит Илья Мереминский, соавтор статьи, принятой к публикации в Astrophysical Journal.

С весны 2022 года телескоп ART-XC проводит более глубокий обзор области Галактической плоскости, а это значит, что у него есть неплохой шанс еще увеличить выборку подобных довольно редких симбиотических систем в нашей Галактике. А система SRGA J181414.6-225604 останется одной из «жемчужин» обзора всего неба, наряду с микроквазаром SRGA J043520.9+552226/AT2019wey, найденном командой ART-XC в 2020 году.

• K.De, I. Mereminskiy, R.Soria et al., 2022 SRGA J181414.6-225604: A new Galactic symbiotic X-ray binary outburst triggered by an intense mass loss episode of a heavily obscured Mira variable. Принята к публикации в Astrophysical Journal
  ***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

• Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
• Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
• Научный руководитель по телескопу eROSITA/еРОЗИТА (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Структуры горячего газа с обеих стороны Галактического диска, четко видимые в рентгеновском обзоре всего неба, возникли, скорее всего, из-за ударных волн, вызванных мощнейшим всплеском активности центра нашей Галактики десятки миллионов лет назад.

Открытие опубликовано в журнале Nature 9 декабря 2020 г. Половина соавторов статьи — сотрудники российских научно-исследовательских институтов, члены научных групп телескопа СРГ/eРОЗИТА.

На первой карте обзора всего неба, созданной рентгеновским телескопом еРОЗИТА (eROSITA), одним из двух инструментов на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», астрономы обнаружили удивительную новую деталь: огромную округлую структуру ниже плоскости Млечного Пути, занимающую существенную часть Южного Неба.

Подобная структура на Северном Небе, так называемый Северный Полярный Шпур, известна со времен становления радиоастрономии и рентгеновской астрономии. Долгие годы считалось, что она возникла как следствие взрыва близкой к Солнцу сверхновой десятки или сотни тысяч лет назад. Но взятые вместе, северная и южная структуры на карте напоминают ореол в форме песочных часов, достаточно симметричный относительно центра Галактики, который отстоит от Солнца на расстояние в 25 тысяч световых лет (1 световой год — примерно 9.46 триллиона километров).

«Благодаря высокой чувствительности, хорошему спектральному и угловому разрешению и низкому фону, телескоп СРГ/еРОЗИТА, сканирующий все небо каждые шесть месяцев, стала уникальным инструментом для обнаружения и изучения объектов, размеры которых намного больше поля зрения телескопа и составляют значительную часть всего неба», — объясняет Михаэль Фрайберг (Michael Freyberg), ученый, работающий с данными телескопа СРГ/еРОЗИТА в Институте внеземной физики Общества им. Макса Планка (MPE, Германия).

Крупномасштабное рентгеновское излучение, наблюдаемое СРГ/еРОЗИТА в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, демонстрирует проявления этих гигантских пузырей с медленно меняющейся яркостью на большой части неба. Их угловые размеры сравнимы с размерами всей нашей Галактики Млечный Путь, что соответствует линейным размерам в десяток килопарсек, т.е. до 30 000 световых лет в поперечнике.

«Пузыри еРОЗИТЫ» имеют поразительное морфологическое сходство с хорошо известными «пузырями Ферми», но не совпадают с ними геометрически, а размеры последних заметно меньше. «Пузыри Ферми», были обнаружены годы назад гамма-обсерваторией «Ферми» (Fermi, NASA) на гораздо более высоких энергиях фотонов (гамма-излучение), в миллион раз более энергичных, чем рентгеновские фотоны, фиксируемые обсерваторией «Спектр-РГ».

«Телескоп СРГ/еРОЗИТА завершает сейчас второе сканирование всего неба, увеличивая вдвое число рентгеновских фотонов, зарегистрированных в частности и от открытых ею «пузырей» — говорит академик Рашид Сюняев, научный руководитель орбитальной обсерватории «Спектр-РГ». — Нам предстоит громадная работа, ведь данные СРГ/еРОЗИТА позволяют выделить немало рентгеновских спектральных линий, излученных высокоионизованными ионами газа в различных областях «пузырей». Мы получили возможность исследовать обилие химических элементов, степень их ионизации, плотность и температуру излучающего газа во многих зонах пузырей, исследовать положение ударных волн и оценивать характерные времена, прошедшие со времени гигантской вспышки, породившей эти пузыри. Поражает, что пузыри еРОЗИТЫ и «Фeрми» разделены в пространстве и размеры пузырей еРОЗИТЫ заметно больше. Скорее всего, на их границе важнейшую роль играют магнитные поля, затрудняющие выход космических лучей за пределы пузырей «Ферми»».

Это открытие помогает понять циркуляцию вещества в Млечном Пути и вокруг него, а также в других галактиках, которые мы не можем наблюдать с такой степенью детализации из за громадного расстояния до них.

Большая часть обычной (т. н. барионной, от слова «барион» — семейство элементарных частиц, к которому относятся в том числе протоны и нейтроны) материи во Вселенной невидима для наших глаз. Все звезды и галактики, которые мы наблюдаем с помощью оптических телескопов, дают возможность увидеть менее 10 % от общего количества барионов. Ожидается, что огромные количества ненаблюдаемой барионной материи находятся в разреженных ореолах, окружающих галактики, словно коконы, а также в «нитях» (филаментах), соединяющих скопления галактик, как космическую паутину. Эти ореолы горячие, их температура составляет миллионы градусов, и поэтому они доступны для наблюдения в рентгеновском диапазоне длин волн.

Пузыри, которые «видит» телескоп СРГ/еРОЗИТА, являются «отражением» возмущений в этой оболочке горячего газа, которые были вызваны выбросом вещества вследствие активности сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, либо гигантской вспышкой звездообразования в газе центральной части Галактики.

«Размер пузырей и температура газа в них позволяют судить лишь о полной выделившейся энергии и, приблизительно, о временной шкале, — говорит академик Евгений Чуразов (ИКИ РАН), один из авторов статьи. — Но, чтобы однозначно выбрать одну из гипотез, этого недостаточно».

Сейчас «наша» черная дыра проявляет себя как очень слабый рентгеновский и радиоисточник, время от времени слабо вспыхивающий в рентгеновских и инфракрасных лучах. Но она вполне могла быть весьма активной в прошлом. Мы знаем примеры такой активности из наблюдений сверхмассивных черных дыр в других галактиках.

В любом случае энергия, необходимая для формирования этих огромных пузырей, должна была быть очень большой — 10⁵⁶ эрг. Это соответствует выделению энергии 100 000 сверхновых, что аналогично оценкам других вспышек в активных ядрах далеких галактик.

«Резкие границы этих пузырей, скорее всего, являются следами ударных волн, вызванных мощнейшим выбросом энергии из центра нашей Галактики в ее гало, — отмечает Петер Предель (Peter Predehl, MPE), один из двух ведущих авторов статьи. — Такое объяснение ранее предлагалось для пузырей «Ферми», а теперь, согласно данным телескопа СРГ/еРОЗИТА, полный объем и морфология этих структур стали очевидными». «»Шрамы», оставленные такими вспышками, долго «заживают» в таких ореолах» — добавляет Андреа Мерлони (Andrea Merloni, MPE), научный руководитель телескопа СРГ/еРОЗИТА.

«Многоцветная» рентгеновская карта неба, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА, содержит колоссальный объем информации о межзвездной среде Млечного Пути в целом, — говорит член-корреспондент РАН, один из создателей рентгеновской карты неба и соавтор статьи Марат Гильфанов (ИКИ РАН). — Видно, что излучение горячего и теплого газа приходит к нам со всех направлений, но его яркость в направлении Галактической плоскости сильно понижена из-за поглощения холодным веществом, расположенным в спиральных рукавах и в диске нашей Галактики. Наблюдаемую картину усложняет вклад излучения т. н. «Локального Пузыря», природа которого до сих пор не вполне понятна, и мы ожидаем, что СРГ/еРОЗИТА внесет свой вклад в разрешение и этой загадки».

***

Рентгеновский телескоп СРГ/еРОЗИТА был запущен в космос на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» 13 июля 2019 года. Большая эффективная площадь зеркал и детекторов и широкое поле зрения СРГ/еРОЗИТА предназначены для глубокого обзора всего неба в рентгеновских лучах. В течение шести месяцев (декабрь 2019 — июнь 2020) СРГ/еРОЗИТА выполнила первый обзор всего неба на энергиях 0,2-8 кэВ, значительно более глубокий, чем самый чувствительный до этого обзор всего неба рентгеновского телескопа ROSAT (Германия) в 1990 г. на энергиях 0,1–2,4 кэВ. Предварительный анализ карты звездного неба первого обзора всего неба телескопа СРГ/еРОЗИТА обнаружил более миллиона точечных рентгеновских источников и около 20 000 протяженных. Около 80 % точечных источников представляют собой далекие активные ядра галактик (АЯГ). В Млечном Пути СРГ/еРОЗИТА зафиксировала около 200 000 коронально активных звезд, включая около 150 звезд, вокруг которых расположены планеты (~ 10% всех известных за пределами поля Кеплера).

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

1. Detection of large-scale X-ray bubbles in the Milky Way halo P. Predehl, R. A. Sunyaev, W. Becker, H. Brunner, R. Burenin, A. Bykov, A. Cherepashchuk, N. Chugai, E. Churazov, V. Doroshenko, N. Eismont, M. Freyberg, M. Gilfanov, F. Haberl, I. Khabibullin, R. Krivonos, C. Maitra, P. Medvedev, A. Merloni, K. Nandra, V. Nazarov, M. Pavlinsky, G. Ponti, J. S. Sanders, M. Sasaki, S. Sazonov, A. W. Strong & J. Wilms
2. 09.12.2020 eROSITA finds large-scale bubbles in the halo of the Milky Way Пресс-релиз Института внеземной физики Общества им. Макса Планка