Пылевые бури в космосе

24 мая 2022

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

Новость полностью

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» состояния.

Схема симбиотической рентгеновской двойной SRGA J181414.6-225604. Изображение из статьи K.De, I

Схема симбиотической рентгеновской двойной со звездой-компаньоном — красным гигантом SRGA J181414.6-225604. Слева: состояние системы до начала пылеобразования — напрямую виден красный гигант, на компактный объект почти не идет аккреция, поэтому рентгеновская светимость низкая. В центре: начало эпизода пылеобразования, красный гигант погружен в плотную пылевую оболочку. Справа: пылевая оболочка расширилась до орбиты компактного объекта, наблюдается яркое рентгеновское излучение. Изображение из статьи K.De, I. Mereminskiy, R.Soria et al., 2022

«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.

***

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.
Дополнительная информация: 
  1. 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
  2. Сайт проекта «Спектр-Рентген-Гамма»