Спутник XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission) выявил неожиданный контраст между ветрами, выбрасываемыми с диска вокруг нейтронной звезды, и теми, что наблюдаются вблизи сверхмассивных черных дыр. Система нейтронной звезды генерирует необычно плотный отток вещества, что ставит под сомнение существующие представления о формировании этих ветров и их влиянии на окружающее пространство.
25 февраля 2024 года аппарат XRISM с помощью своего инструмента Resolve наблюдал нейтронную звезду GX13+1 – компактный остаток некогда более массивной звезды. GX13+1 испускает яркое рентгеновское излучение, исходящее из аккреционного диска, состоящего из перегретого материала, который по спирали движется внутрь и сталкивается с поверхностью звезды.
Эти входящие потоки также способны порождать мощные выбросы вещества, изменяющие окружающее пространство. Механизмы возникновения таких выбросов до сих пор активно изучаются, что и послужило причиной выбора GX13+1 в качестве цели для исследования.
Инструмент Resolve способен с высокой точностью измерять энергию отдельных рентгеновских фотонов, поэтому ученые заранее ожидали получить беспрецедентные детализированные данные.
«Когда мы впервые увидели обилие деталей в данных, мы почувствовали, что становимся свидетелями переломного результата, – отмечает Маттео Гуайнацци, научный сотрудник проекта XRISM от ЕКА. – Для многих из нас это было воплощение мечты, к которой мы стремились десятилетиями».
Такие космические ветры не просто представляют собой научный курьез. Они являются движущей силой масштабных изменений во Вселенной.
Аналогичные потоки вещества исходят и от систем со сверхмассивными черными дырами, расположенными в центрах галактик. Они могут сжимать гигантские молекулярные облака, запуская процесс звездообразования, или, наоборот, нагревать и рассеивать их, тем самым останавливая формирование новых звезд. Астрономы называют это взаимодействие «обратной связью», и в исключительных случаях ветер от центральной черной дыры способен регулировать рост всей своей галактики-хозяина.
Поскольку процессы вокруг сверхмассивных черных дыр могут быть аналогичны тем, что происходят вблизи GX13+1, команда исследователей выбрала эту систему нейтронной звезды как более близкую и яркую цель, способную раскрыть основные физические механизмы с большей детализацией.
Непосредственно перед запланированными наблюдениями GX13+1 неожиданно стала ярче и достигла, а возможно, даже превысила предел Эддингтона.
Этот предел описывает явления, происходящие при падении вещества на компактный объект, такой как черная дыра или нейтронная звезда. Чем больше вещества падает, тем больше энергии высвобождается. По мере увеличения энерговыделения излучение оказывает давление на поступающий материал и выталкивает его наружу. На пределе Эддингтона высокоэнергетический свет способен выталкивать почти все падающее вещество обратно в космос в виде мощного ветра.
Инструмент Resolve зафиксировал GX13+1 именно в этой драматической фазе.
«Мы не смогли бы запланировать такое, даже если бы сильно постарались, – рассказал Крис Доун из Даремского университета, Великобритания, ведущий исследователь работы. – Система перешла от примерно половины своей максимальной лучистой мощности к чему-то гораздо более интенсивному, создав ветер, который оказался плотнее, чем мы когда-либо наблюдали».
Несмотря на сильную вспышку, скорость ветра оставалась около 1 миллиона км/ч. Для земных масштабов это быстро, но медленно по сравнению с ветрами вблизи предела Эддингтона вокруг сверхмассивных черных дыр, где выбросы могут достигать 20–30 процентов скорости света, то есть более 200 миллионов км/ч.
«Меня до сих пор удивляет, насколько „медленным“ является этот ветер, – говорит Крис, – а также насколько он плотный. Это как смотреть на Солнце сквозь надвигающуюся стену тумана. Все становится тусклее, когда туман густеет».
Это был не единственный контраст. Предыдущие наблюдения XRISM сверхмассивной черной дыры на пределе Эддингтона показали сверхбыстрый, комковатый ветер. Для сравнения, выброс из GX13+1 выглядит медленным и гладким.
«Ветры были совершенно разными, но они исходят из систем, которые примерно одинаковы по отношению к пределу Эддингтона. Так если эти ветры действительно приводятся в движение только радиационным давлением, почему они разные?» – задается вопросом Крис.
Команда исследователей предполагает, что ответ кроется в температуре аккреционного диска вокруг центрального объекта. Вопреки интуиции, диски вокруг сверхмассивных черных дыр, как правило, холоднее, чем диски в системах звездных масс с нейтронными звездами или черными дырами.
Диски вокруг сверхмассивных черных дыр значительно крупнее. Они могут быть чрезвычайно яркими, но их мощность распределяется по огромной площади, поэтому типичное излучение, которое они испускают, приходится на ультрафиолетовый диапазон. Системы звездных масс сильнее излучают в рентгеновских лучах.
Ультрафиолетовый свет взаимодействует с веществом легче, чем рентгеновские лучи. Крис и его коллеги предполагают, что это различие позволяет ультрафиолетовому излучению более эффективно выталкивать материал, создавая гораздо более быстрые ветры, наблюдаемые вблизи сверхмассивных черных дыр.
Если это объяснение подтвердится, оно уточнит представления ученых об обмене энергией и веществом в экстремальных условиях. Оно также может прояснить, как эти процессы влияют на рост галактик и более широкую эволюцию космоса.
«Беспрецедентное разрешение XRISM позволяет нам исследовать эти объекты – и многие другие – гораздо детальнее, прокладывая путь для рентгеновских телескопов нового поколения с высоким разрешением, таких как NewAthena», – говорит Камиль Диез, научный сотрудник ЕКА.
Спутник XRISM (произносится как «кризэм») был запущен 7 сентября 2023 года. Миссия возглавляется Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) в партнерстве с НАСА и ЕКА. Он оснащен двумя приборами: Resolve – рентгеновским калориметром, измеряющим энергию отдельных рентгеновских фотонов для достижения беспрецедентного уровня энергетического разрешения (способности прибора различать «цвета» рентгеновского излучения), и Xtend – широкоугольной рентгеновской ПЗС-камерой, которая фотографирует окружающую область.
