Астрономы обнаружили новый класс внегалактических объектов, которые излучают необычно мягкие рентгеновские лучи и, судя по характеристикам их спектра, могут быть очень яркими источниками экстремального ультрафиолетового излучения. Эти объекты получили название гипермягких рентгеновских источников — hypersoft X-ray sources, или HSS.
Всего в шести близлежащих галактиках обнаружили 84 таких объекта. Они встречаются как в спиральных галактиках с активным звездообразованием, так и в эллиптических галактиках, где преобладают старые звёздные популяции. Это важно, поскольку указывает: новое явление не обязательно связано только с молодыми звёздами или интенсивным рождением звёзд.
Необычность HSS заключается не просто в том, что они излучают рентгеновские лучи. Напротив, их излучение сосредоточено на самой низкоэнергетической части рентгеновского диапазона, доступной наблюдениям. При более высоких рентгеновских энергиях многие из этих источников практически исчезают. Такая картина указывает на то, что значительная часть их излучения может приходиться на ещё менее изученную область электромагнитного спектра — экстремальный ультрафиолет.
Открытие представляет интерес сразу по нескольким причинам. Подобные системы могут оказаться связаны с эволюцией некоторых белых карликов и, возможно, с предшественниками сверхновых типа Ia. Кроме того, их мощное ультрафиолетовое излучение потенциально может участвовать в ионизации газа внутри галактик.
Как удалось обнаружить гипермягкие рентгеновские источники
На первый взгляд открытие нового класса объектов выглядит неожиданным: рентгеновская астрономия развивается уже несколько десятилетий, а рентгеновские двойные системы, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры давно известны.
Однако HSS оказались своеобразным наблюдательным «слепым пятном». Они излучают преимущественно в диапазоне, который чрезвычайно трудно исследовать с Земли и космическими телескопами.
Поиск в архивных наблюдениях «Чандры»
Исследователи использовали архивные данные рентгеновской обсерватории «Чандра», обращая внимание на объекты, которые регистрируются на самых низких энергиях, доступных этому телескопу, но практически не видны на более высоких энергиях.
Обычный яркий рентгеновский источник часто сохраняет заметное излучение и при повышении энергии наблюдаемых фотонов. У HSS ситуация противоположная: источник хорошо проявляется в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне и быстро становится слабым или исчезает при переходе к более высоким энергиям.
В результате были выявлены 84 объекта в шести галактиках. В выборку вошли две спиральные галактики — Андромеда (M31) и M101, известная также как галактика Вертушка, — и четыре эллиптические галактики.
Распределение объектов оказалось особенно интересным. HSS обнаружены как в областях, где продолжается активное звездообразование, так и среди старых звёздных популяций. Поэтому простое объяснение, связывающее все такие источники исключительно с молодыми массивными звёздами, не соответствует наблюдаемой картине.
Почему источники долго оставались незамеченными
Главная проблема заключается в особенностях их излучения. Гипермягкие источники испускают рентгеновские фотоны с очень низкой энергией, а чувствительность рентгеновских инструментов в этой области имеет свои ограничения.
Кроме того, излучение на границе между мягким рентгеновским диапазоном и экстремальным ультрафиолетом легко поглощается веществом. Нейтральный водород и гелий, находящиеся между источником и наблюдателем, эффективно поглощают такие фотоны.
Особенно серьёзной проблемой становится экстремальный ультрафиолет. Для наблюдателя внутри Млечного Пути большая часть EUV-излучения далёких объектов блокируется межзвёздным газом ещё до того, как достигает телескопа. Поэтому астрономы практически лишены возможности напрямую наблюдать значительную часть излучения таких источников.
Получается парадоксальная ситуация: объект может быть очень мощным, но именно его наиболее характерное излучение оказывается недоступным для непосредственного наблюдения.
Чем гипермягкие источники отличаются от обычных рентгеновских систем
Рентгеновское излучение обычно связывают с чрезвычайно горячим веществом. Например, в рентгеновских двойных системах вещество от звезды-компаньона может падать на белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру. В процессе аккреции оно нагревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.
У HSS наблюдается необычное сочетание высокой светимости и сравнительно низкой эффективной температуры излучения.
Наиболее яркие представители нового класса излучают в узком рентгеновском диапазоне с мощностью порядка 10^38 эрг в секунду. При использовании спектральных моделей общая, или болометрическая, светимость может оказаться ещё выше, поскольку значительная часть энергии приходится не на наблюдаемый рентгеновский диапазон, а на экстремальный ультрафиолет.
Таким образом, HSS нельзя считать просто «слабыми рентгеновскими источниками». Их проблема в другом: значительная доля энергии приходится на диапазон, который особенно трудно наблюдать.
Некоторые источники по своей светимости сопоставимы с ультраяркими рентгеновскими источниками — ULX, которые относятся к числу наиболее мощных известных внегалактических рентгеновских объектов вне центров галактик. При этом гипермягких источников в некоторых изученных галактиках оказалось довольно много.
Исследователи считают, что HSS могут представлять собой значительную, ранее недооценённую популяцию ярких компактных источников в близлежащих галактиках.
Что может находиться внутри таких систем
Точная природа гипермягких источников пока не установлена. Наблюдения позволяют связать их с компактными объектами, окружёнными горячим аккрецирующим веществом, но пока невозможно утверждать, что все HSS имеют один и тот же физический механизм.
Наиболее вероятными кандидатами считаются системы с белыми карликами, нейтронными звёздами или чёрными дырами, которые получают вещество от звезды-компаньона.
Аккрецирующие белые карлики
Особенно важной подсказкой стали наблюдения Андромеды. Несколько наименее ярких HSS оказались связаны с новыми — взрывными событиями в тесных двойных системах, где белый карлик накапливает вещество от звезды-компаньона.
Белый карлик может постепенно получать водородсодержащий материал. Когда накопленного вещества становится достаточно, на его поверхности могут начаться термоядерные процессы, приводящие к вспышке новой.
Связь части гипермягких источников с такими системами показывает, что по крайней мере некоторые HSS действительно могут быть связаны с эволюцией белых карликов.
Для более ярких объектов рассматривается другой сценарий. Белый карлик, активно получающий вещество от компаньона, может поддерживать устойчивое ядерное горение на своей поверхности. При определённых условиях его фотосфера способна расширяться, из-за чего эффективная температура излучающей поверхности снижается.
При этом излучение смещается в сторону более длинных волн. Вместо яркого высокоэнергетического рентгеновского источника такой объект может выглядеть как очень мягкий источник, значительная часть излучения которого приходится на экстремальный ультрафиолет.
Это один из возможных механизмов, способных объяснить наблюдаемые свойства наиболее ярких HSS.
Возможная роль нейтронных звёзд и чёрных дыр
Белые карлики не являются единственным рассматриваемым вариантом. Высокая светимость некоторых источников допускает участие более массивных компактных объектов, включая нейтронные звёзды и чёрные дыры.
В таких системах вещество звезды-компаньона также может перетекать к компактному объекту. Однако конкретный механизм, который позволил бы получить именно столь мягкий спектр при большой светимости, пока не установлен.
Поэтому обнаружение HSS не означает, что астрономы уже определили их природу. Сейчас речь идёт о классе объектов с общими наблюдаемыми характеристиками, внутри которого могут находиться системы разных физических типов.
Это принципиально важное различие: новый класс определяется прежде всего необычным характером излучения, а не доказанной единой природой всех его представителей.
Связь с загадкой сверхновых типа Ia
Одно из наиболее интересных направлений связано с белыми карликами и сверхновыми типа Ia.
Сверхновые типа Ia имеют большое значение для современной космологии. Наблюдения таких взрывов сыграли ключевую роль в установлении того, что расширение Вселенной ускоряется. Однако сами системы, которые непосредственно предшествуют некоторым таким взрывам, до сих пор изучены не полностью.
Почему белые карлики здесь особенно важны
Существует несколько сценариев образования сверхновых типа Ia. Один из них предусматривает участие белого карлика в тесной двойной системе, который получает вещество от звезды-компаньона.
Если белый карлик постепенно увеличивает свою массу, его состояние может приблизиться к условиям, при которых происходит термоядерный взрыв. Именно поэтому астрономы много лет пытаются найти системы, которые могли бы непосредственно предшествовать сверхновым типа Ia.
Однако обнаружить такие объекты заранее оказалось значительно сложнее, чем наблюдать саму сверхновую после взрыва.
Гипермягкие источники потенциально могут заполнить часть этого пробела. Некоторые из них могут соответствовать стадиям эволюции аккрецирующих белых карликов, в которых поверхность объекта поддерживает ядерное горение, а основная часть энергии уходит в экстремальный ультрафиолет.
Это делает HSS кандидатами на роль ранее недооценённого этапа эволюции некоторых систем — предшественников сверхновых типа Ia.
При этом обнаружение HSS само по себе не доказывает, что именно эти объекты обязательно заканчивают свою эволюцию взрывом типа Ia. Для установления такой связи потребуется проследить их физические свойства, эволюцию и статистическое соответствие известным популяциям предшественников сверхновых.
Ещё одна загадка: кто ионизирует газ в галактиках
У нового класса источников есть и другое возможное применение. HSS могут помочь разобраться с происхождением некоторых видов ионизирующего излучения в галактиках.
Ионизация происходит, когда энергичный фотон выбивает электрон из атома. Для водорода достаточно ультрафиолетового излучения, которое могут производить горячие массивные звёзды. Но для удаления дополнительных электронов из гелия и более тяжёлых элементов требуются фотоны с ещё большей энергией.
Именно здесь возникает проблема. В некоторых галактиках наблюдаемая степень ионизации газа не полностью объясняется известными источниками излучения.
Почему экстремальный ультрафиолет имеет значение
Экстремальный ультрафиолет занимает промежуточное положение между обычным ультрафиолетом и мягким рентгеновским излучением. Фотоны этого диапазона достаточно энергичны, чтобы играть важную роль в ионизации газа, но одновременно они настолько сильно поглощаются, что наблюдать их напрямую чрезвычайно трудно.
Если гипермягкие источники действительно испускают значительную часть энергии именно в EUV, их вклад в энергетический баланс галактик мог быть ранее практически незаметен.
В этом случае HSS могут воздействовать на межзвёздную среду: менять степень ионизации газа, влиять на процессы его нагрева и охлаждения и тем самым косвенно участвовать в условиях, при которых формируются новые звёзды.
Однако это пока потенциальное следствие обнаружения нового класса объектов. Чтобы определить реальный вклад HSS, необходимо установить их пространственное распределение, общую численность и спектральные характеристики, а затем сопоставить их с физическими свойствами газа в галактиках.
Почему открытие стало возможным только сейчас
История HSS показывает, что даже хорошо изученный диапазон электромагнитного спектра может содержать неизвестные классы объектов.
Астрономические обзоры обычно оптимизированы для обнаружения определённых типов источников. Яркие объекты с сильным высокоэнергетическим излучением обнаруживать относительно проще. Источник, почти полностью сосредоточенный у нижней границы чувствительности инструмента, находится в гораздо менее благоприятном положении.
У гипермягких источников одновременно присутствуют несколько факторов, затрудняющих их обнаружение: низкая энергия регистрируемых рентгеновских фотонов, поглощение излучения газом, снижение чувствительности телескопа в нижней части энергетического диапазона и заметные изменения яркости некоторых источников.
Особенно существенна потеря EUV-излучения. Именно там, согласно спектральным моделям, может находиться значительная часть энергии HSS, но прямое наблюдение этой области с Земли сильно ограничено поглощением межзвёздным веществом.
Поэтому исследователи пошли не от поиска необычных ультрафиолетовых источников, а в обратном направлении: они искали характерный мягкий рентгеновский след в уже накопленных наблюдениях.
Новый класс объектов или несколько разных типов систем?
Название «гипермягкие рентгеновские источники» описывает прежде всего наблюдаемое свойство — необычно мягкий рентгеновский спектр.
Это не означает, что все 84 найденных объекта являются физически одинаковыми. Уже имеющиеся данные указывают на возможное разнообразие их природы. Среди кандидатов рассматриваются аккрецирующие белые карлики, постновые системы и, для наиболее ярких объектов, системы с более массивными компактными объектами.
Вполне возможно, что одинаковая наблюдаемая картина возникает в нескольких разных физических сценариях. Например, разные типы компактных объектов могут при определённых условиях иметь большие области относительно холодного излучающего вещества и при этом давать заметный мягкий рентгеновский сигнал.
Именно поэтому дальнейшее исследование отдельных источников имеет принципиальное значение. Необходимо определить их переменность, окружение, связь с известными двойными системами и новыми, а также получить дополнительные спектральные и многоволновые данные.
Что открытие меняет в представлении о рентгеновской Вселенной
Гипермягкие источники демонстрируют, что понятие «яркий рентгеновский объект» не обязательно означает источник, доминирующий в высокоэнергетической части рентгеновского диапазона.
Объект может выделяться огромной энергетической мощностью, но при этом оставаться почти незаметным для стандартных рентгеновских поисков. Причина заключается в том, что большая часть его излучения приходится на экстремальный ультрафиолет и самые низкие энергии рентгеновского диапазона.
По предварительным оценкам, HSS могут быть гораздо более распространёнными, чем ультраяркие рентгеновские источники. В некоторых исследованных галактиках обнаружено сразу несколько десятков таких объектов. Это означает, что ранее в статистике компактных источников могли отсутствовать целые популяции систем.
Для астрономии это важно не только как открытие нового типа объектов. Если HSS действительно широко распространены, их необходимо учитывать при изучении энергетического баланса галактик, межзвёздного газа и эволюции компактных двойных систем.
Что предстоит выяснить
Главный вопрос теперь заключается в том, что именно создаёт наблюдаемое сочетание высокой светимости, очень мягкого рентгеновского спектра и предполагаемого мощного EUV-излучения.
Нужно установить, какая доля HSS связана с белыми карликами, сколько объектов представляет другие типы компактных двойных систем и существуют ли дополнительные физические механизмы, способные создавать такую картину.
Особенно важны дальнейшие наблюдения отдельных объектов. Изменения яркости со временем могут дать информацию о размере и структуре излучающей области и о процессах переноса вещества. Связь источников с новыми или другими известными двойными системами поможет определить их эволюционный статус.
Не менее важна задача косвенного изучения экстремального ультрафиолета. Поскольку прямое наблюдение EUV от далёких источников сильно ограничено поглощением, астрономам приходится восстанавливать свойства этого излучения по доступным рентгеновским данным и физическим моделям.
В дальнейшем более полная выборка гипермягких источников позволит оценить, насколько часто встречаются такие системы и какую долю энергетического излучения близлежащих галактик они действительно дают.
Пока гипермягкие рентгеновские источники остаются новым и недостаточно изученным классом космических объектов. Но уже первые 84 обнаруженных представителя показывают, насколько много информации может скрываться на самой границе возможностей наблюдательной астрономии. Их изучение способно связать сразу несколько направлений — эволюцию белых карликов, происхождение части сверхновых типа Ia и источники ионизирующего излучения в галактиках.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
