Обнаружена одна из самых далеких нейтронных звезд в нашей Галактике

22 Авг 2016

Группа исследователей, в число которых входят сотрудники ИКИ РАН, измерила расстояние до рентгеновского пульсара 2S 1553-542 в двойной системе, который оказался одним их самых далеких рентгеновских объектов Галактики. Система находится на расстоянии около 20 килопарсек (1 парсек — более 30 триллионов км) на дальней окраине Галактики, предположительно в рукаве Стрельца. Ученым удалось идентифицировать компаньон пульсара в двойной системе — слабую оптическую звезду класса Be, наблюдения которой подтвердили, что мы имеем дело с одной из самых далеких рентгеновских двойных.

Исследования проводились с помощью рентгеновских космических обсерваторий Chandra, Swift, Fermi и NuSTAR (НАСА), наземного оптического Южно-Африканского Большого Телескопа (SALT) и инфракрасного обзора VVV, полученного с помощью инструментов Европейской Южной обсерватории в Чили (ESO). Первая статья была опубликована в мартовском номере журнала Monthly Notes of Royal Astronomical Society, вторая — недавно принята к публикации и обнародована онлайн 1 августа 2016 г.

Рентгеновский источник 2S 1553-542 известен с 1975 года. Как показывали наблюдения, он представляет собой нейтронную звезду в двойной системе, которая аккрецирует вещество со звезды-компаньона. Период обращения двойной системы был оценен в 30 с небольшим дней, а период собственного вращения нейтронной звезды составляет 9,3 секунды. И, хотя второго компаньона  этой двойной системы обнаружить до последнего времени не удавалось, предполагалось, что это должна быть оптическая звезда класса Be, т.е. бело-голубая звезда с мощными эмиссионными линиями в спектре.

За практически 40 лет наблюдений источник пережил несколько вспышек, которые наблюдались разными обсерваториями. Вообще, если яркость такого объекта резко растет, это обычно означает, что нейтронная звезда в какой-то момент времени аккрецирует больше вещества со звезды-компаньона. Последняя вспышка произошла в самом начале 2015 года, и за ней в режиме мониторинга наблюдали обсерватории им. Ферми и Swift (НАСА), работающие в жестком рентгеновском диапазоне энергий. Одновременно с ними, по заявкам российских ученых, были проведены высокоточные наблюдения с помощью рентгеновских обсерваторий Chandra и NuSTAR

Благодаря полученным данным удалось, во-первых, уточнить период вращения нейтронной звезды (9,2788 секунды) и его ускорение и измерить величину её магнитного поля — 3х1012 Гаусс. По особенностям рентгеновского излучения было определено и расстояние до системы — 20+/-4 килопарсека, т.е. практически на противоположном краю Галактики.

Кроме этого, наблюдения с помощью обсерватории Chandra позволили впервые точно определить координаты источника. Они стали предпосылкой ко второму этапу исследований, то есть поиску оптической звезды — компаньона пульсара в двойной системе и независимому определению расстояния до нее.

Чтобы найти её, к рентгеновским данным пришлось подключить оптические и инфракрасные наблюдения. Группа исследователей, в которую вошли Александр Лутовинов, Роман Кривонос, Сергей Цыганков и Сергей Мольков, сотрудники отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, в сотрудничестве с южноафриканскими коллегами, инициировали наблюдения этого участка неба с помощью наземного оптического Южно-Африканского Большого Телескопа (SALT), которые прошли в феврале и августе 2015 года. Также были проведены исследования этой области неба в инфракрасном диапазоне длин волн, для чего использовались данные обзора VVV, сделанного с помощью наземных телескопов Европейской Южной обсерватории в Чили.

Первый результат оказался неожиданным — в непосредственной близости от рентгеновского источника обнаружилось сразу пять звёзд, при этом некоторые из них не были видны в оптике, а другие, наоборот — в инфракрасных лучах.

Таким образом, исследователям пришлось решать сложную задачу правильного определения оптического компаньона источника 2S 1553-542. Для этой цели были привлечены фотометрические данные — информация о том, сколько фотонов излучают эти звезды в разных энергетических диапазонах. Оказалось,  что спектр одной из звезд очень похож на спектры уже известных бело-голубых звезд класса Be. Более того, в нем обнаружились характерные признаки того, что эту звезду окружает диск из быстро вращающегося вещества, характерного для таких объектов. Именно эта звезда и оказалась в конечном итоге компаньоном пульсара. Интересно отметить, что её фактически не видно на оптических картах, полученных на телескопе SALT, при этом она прекрасно регистрируется в инфракрасных лучах. Это связано с тем, что звезда находится на достаточно большом расстоянии и её оптическое излучение практически полностью поглощается из-за межзвездного газа и пыли. Сравнив её с подобными ей по классу звездами, ученым удалось определить более точно класс объекта — B1-2V, а это, в свою очередь, позволило независимым образом оценить расстояние до двойной системы — более 15 килопарсек.

«Это прекрасно согласуется с результатами рентгеновских наблюдений пульсара, которые дают нам расстояние в 20 килопарсек — говорит Александр Лутовинов, руководитель лаборатории релятивистских компактных объектов ИКИ РАН, профессор РАН. — А это означает, что рентгеновская двойная система 2S1553-542 находится на противоположном краю Млечного пути, как минимум, в рукаве Щита-Центавра, а скорее всего даже дальше, в рукаве Стрельца. Таким образом, мы установили самую далекую из известных на сегодняшний день нейтронных звезд в нашей Галактике. Более того, проведенное комплексное исследование с использованием данных в разных областях электромагнитного спектра, а также примененные методы и подходы, открывают новые возможности поиска и исследований далеких объектов Галактики. И мы сейчас активно работаем еще над несколькими похожими объектами».

Предполагаемое расположение двойной системы в Галактике в рукаве Стрельца. Кружком показано расположение Солнечной системы. Карта Галактики из работы Уркварда и др. (2014) (Urquhart et al. 2014)

Предполагаемое расположение двойной системы в Галактике в рукаве Стрельца. Кружком показано расположение Солнечной системы. Карта Галактики из работы Уркварда и др. (2014) (Urquhart et al. 2014)

Дополнительная информация: 
  1. Sergey S. Tsygankov, et al. “NuSTAR discovery of a cyclotron absorption line in the transient X-ray pulsar 2S 1553−542”, MNRAS (March 21, 2016) Vol. 457 258-266 doi:10.1093/mnras/stv2849
  2. Alexander A. Lutovinov, et al. “2S 1553−542: a Be/X-ray binary pulsar on the far side of the Galaxy”, Опубликовано онлайн 1 августа 2016. doi:10.1093/mnras/stw1889