Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Результаты численного расчета сигнала от слияния черных дыр. После объединения двух компактных объектов в один наступает фаза «звона», определяемая поведением горизонта образовавшейся черной дыры.

Ультрамощные рентгеновские источники

Двойные системы могут быть достаточно разнообразными, и один из типов рентгеновских источников, связанных с двойными системами настолько необычен, что пришлось придумывать новый тип черных дыр.

Рентгеновские источники излучают, когда вещество с одной звезды перетекает на компактный объект и происходит выделение энергии. Казалось бы, чем больше перетекает вещества – тем больше поток излучения. Но в реальной ситуации существует некоторый предел светимости.

Все хорошо помнят, что свет может оказывать давление, этот факт был открыт в самом конце XIX века и сейчас является хорошо понятным феноменом. Решающие эксперименты провел в Москве на физическом факультете Университета профессор Петр Лебедев.

Есть много примеров того, как давление света влияет на хорошо известные нам объекты. Например, искусственные спутники немножечко «сдувает» излучением Солнца. Но Солнце – довольно слабый источник, тем более если мы говорим о спутниках, двигающихся в десятках и сотнях миллионов километров от него. При более сильном излучении эффект, разумеется, заметнее. А теперь представим себе такую картину: перед нами поверхность нейтронной звезды, и мы откуда-то сверху кидаем на нее вещество. Каждый выпавший килограмм вещества приводит к выделению энергии больше, чем при типичном атомном взрыве. Чем больше вещества падает, тем больше выделяется энергии и тем больше излучение будет давить на падающий поток вещества. В итоге установится какое-то равновесие: мы можем продолжать кидать вещество, но светимость, начиная с какого-то момента, не будет возрастать, а часть вещества будет просто уноситься потоком излучения. То есть возникнет какая-то предельная величина, характеризующая исходящее излучение. Это уже встречавшаяся нам эддингтоновская светимость.

Эддингтоновская светимость зависит от того, насколько сильно свет взаимодействует с веществом. Фотоны взаимодействуют с электронами, а гравитация с большей силой тащит вниз тяжелые протоны и нейтроны. Поэтому предельные значения для водородной плазмы, где на один электрон приходится одна тяжелая частица, и для гелиевой плазмы, где на электрон приходится уже две тяжелые частицы, будут разными. Но состав вещества при аккреции не сильно разнится в разных источниках. Поэтому самая главная зависимость эддингтоновской светимости – это зависимость от массы объекта, на который идет аккреция. У нас устанавливается баланс между давлением света и гравитацией. Чем больше масса – тем сильнее гравитация. Чем сильнее гравитация – тем больше предельная светимость. То есть только очень массивные объекты могут в спокойном состоянии (без взрыва) иметь высокую светимость.

Для нейтронных звезд эддингтоновская светимость оказывается равной примерно 100 000 светимостей Солнца. Если у нас есть черная дыра, которая образовалась из обычной звезды, то предел может чуть-чуть подрасти – раз в 10, в редких случаях в десятки раз. У нейтронных звезд полное энерговыделение может превосходить эддингтоновское, из-за сложной формы излучающей области, благодаря влиянию сильного магнитного поля. Но и здесь предел повышается менее чем сто раз даже в самых предельных случаях. То есть все равно очень трудно представить, как может существовать рентгеновский источник, основанный на компактном объекте звездной массы, со светимостью в несколько миллионов или даже десятков миллионов светимостей Солнца. А мы их видим…

В нашей Галактике таких источников нет, но как только появились хорошие рентгеновские телескопы, способные различать отдельные источники в какой-нибудь «далекой-далекой галактике» (первым таким прибором была обсерватория имени Эйнштейна), астрономы начали обнаруживать объекты с ненормально высокой светимостью. Существенно, что речь не идет об источниках в центрах галактик, которые могут быть связаны со сверхмассивными черными дырами. Также астрономы постарались максимально исключить ситуации, когда мы не можем разглядеть все в деталях, и принимаем группу из нескольких объектов за один источник. Ну и, разумеется, как могли, наблюдатели отбросили вероятные фоновые источники, например далекие квазары, случайно проецирующиеся на какую-нибудь гораздо более близкую галактику.

Самая простая возможность для объяснения аномально мощных источников, которую немедленно предложили астрофизики, это гипотеза, что там находится черная дыра, масса которой не 5, 7 или 10 солнечных масс (то, чего мы ожидаем от стандартной звездной эволюции), а сотни или даже тысячи масс Солнца. Это помогло бы ответить на многие вопросы и объяснить свойства этих ультрамощных (ultraluminous), как их называют из-за их большой светимости (т. е. мощности), источников. Проблема только в том, что непонятно, как такие черные дыры появляются в природе, и это до сих пор остается предметом очень активной дискуссии. То ли действительно есть какой-то способ создавать черные дыры промежуточных масс (промежуточных между звездными черными дырами и сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центрах галактик), или же все-таки ультрамощные источники можно объяснить еще более тривиальным способом, допустив, что излучение испускается не симметрично, а направленно, как у прожектора. И тогда, если прожектор смотрит прямо на нас, мы видим очень яркий источник, думаем, что у него огромная светимость, предполагая, что он одинаково светит во все стороны, а светит он на самом деле в основном в нашем направлении.

Каждый год появляются новые интересные данные по ультрамощным источникам. Сейчас складывается картина, в которой эти объекты представляют собой смесь, ассорти. Есть очень веские аргументы в пользу того, что самые мощные из известных источников (например, источник HLX-1 в галактике ESO 243–49) действительно содержат очень массивные черные дыры с массами от нескольких сотен до 10 000 солнечных. С другой стороны, надежные оценки масс аккреторов в нескольких ультрамощных источниках свидетельствуют о типичных звездных массах черных дыр. Один источник, ко всеобщему удивлению, вообще оказался аккрецирующей нейтронной звездой! В 2014 году это замечательное открытие сделали Маттео Бакетти (Matteo Bachetti) и его соавторы, проводившие наблюдения на рентгеновском спутнике NuSTAR. Источник Х-2 в известной близкой галактике М82 оказался рентгеновским пульсаром с периодом чуть более одной секунды. Черные дыры пульсарами быть не могут, так что это точно нейтронная звезда. Наверняка ультрамощные источники еще не раз удивят астрономов. Например, высказываются гипотезы, что некоторые из них могут быть связаны с магнитарами.

Фотография галактики ESO 243–49 с гипермощным (hyper luminous) источником HLX-1. Местоположение источника отмечено кружком.

Вращение звезд и магнитары

Для появления некоторых интересных типов объектов нужно, чтобы звезда очень быстро вращалась. Пожалуй, есть два основных класса объектов, которые, как думают, образуются из очень быстро вращающихся ядер звезд: магнитары и источники длинных гамма-всплесков. Магнитары – это нейтронные звезды, которые характеризуются очень мощным магнитным полем. Чтобы создалось такое магнитное поле, т. е. чтобы были токи, которые его поддерживают, нужен какой-то механизм. Дело в том, что простого сохранения магнитного потока, скорее всего, недостаточно для возникновения магнитарных полей. Сейчас известно несколько массивных звезд с большими магнитными полями на поверхности. Но в состав магнитара входят только поля, пронизывающие ядро звезды. Хенк Спруит показал, что поля в ядре не хватит для того, чтобы объяснить параметры магнитаров. Значит, нужна дополнительная генерация.

Мы умеем генерировать электрические токи динамо-механизмами. При этих процессах энергия движения вещества (в том числе вращения) переходит в энергию электрического поля, а стало быть – в энергию магнитного поля. Соответственно, в динамо что-то должно крутиться.

Чтобы заработал эффективный динамо-механизм, ядро звезды, которая превратится в нейтронную звезду, должно очень быстро вращаться. Но здесь есть проблема. Массивные звезды имеют очень мощный звездный ветер, а мощность звездного ветра приводит к тому, что звезда замедляет свое вращение. Кроме того, расширение звезд (например, на стадии красного гиганта) также приводит к их торможению, что может сказываться и на вращении ядра. И потому мы ожидали бы, что большая часть массивных звезд к концу своей жизни вращаются очень медленно. Если внешние слои хорошо «зацеплены» за внутренние (например, благодаря магнитному полю), то у таких звезд и ядра должны медленно вращаться. Поэтому будут образовываться нейтронные звезды с не слишком быстрым вращением. «Не слишком» – по меркам нейтронных звезд, это может быть оборот за несколько сотых долей секунды, но нам хочется, чтобы она делала оборот за одну тысячную секунды – именно тогда мы сможем накрутить большое магнитное поле. Значит, ядро звезды надо дополнительно раскрутить.