Ученые рассказали, как выглядит сверхкритическая аккреция вещества на черные дыры

Во время Гинзбурговской конференции по физике заведующий лабораторией физики звезд Специальной астрофизической обсерватории РАН, Сергей Фабрика рассказал о сверхкритических режимах аккреции вещества на черные дыры и представил результаты наблюдений, проделанных им и его коллегами

Впервые теоретическое описание структуры сверхкритического аккреционного диска дали советские ученые Н.И. Шакура и Р.А. Сюняев в 1973 году. Такие диски формируются вокруг черных дыр или нейтронных звезд при темпе аккреции вещества на черную дыру, превышающем критическое значение. Это критическое значение называется пределом Эддингтона.

«Эддингтоновский предел – это такое значение светимости звезды, при которой сила ее светового давления на электроны равна силе притяжения звездой протонов. Это возможно только когда плазма полностью ионизована и оптически тонкая», – рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Фабрика.

Сергей Фабрика. Фото с сайта fian-inform.ru

Другими словами, при сверхкритической аккреции сила давления излучения превышает силу гравитационного притяжения, поэтому из окружающих черную дыру областей мощным потоком истекает вещество. И это можно наблюдать.

Сверхкритический режим может наступить как в случае черных дыр звездных масс (т. е. черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд) в тесных двойных системах при темпах аккреции, превышающих 7-10 масс Солнца в год, так и в случае сверхмассивных черных дыр в квазарах и ядрах галактик при темпе аккреции больше 1-10 масс Солнца в год. В нашей Галактике сверхкритический режим аккреции могут показывать т. н. рентгеновские транзиенты (микроквазары), но только в течение нескольких часов – во время максимума вспышки. Известен только один объект, который имеет постоянный сверхкритический аккреционный диск: это двойная система SS433, состоящая из сверхгиганта массой в 20 масс Солнца и черной дыры массой около 10 масс Солнца.

Рисунок 1. Художественное представление системы SS433. Сверхкритический аккреционный диск SS433 порождает мощный ветер, истекающий со скоростью несколько тысяч км/с, а перпендикулярно диску выбрасываются две узкие коллимированные струи вещества со скоростью 80000 км/с. Фото с сайта fian-inform.ru

Эта система была найдена еще в 1979 году, однако ее исследованием продолжают заниматься до сих пор. Одна из ведущих групп ученых в этой области работает в САО РАН под руководством Сергея Фабрики.

«Сверхкритический аккреционый диск SS433 прецессирует, поэтому мы можем его изучать с различных направлений относительно оси диска. Исследуя диск SS433 с помощью российского телескопа БТА и других крупнейших мировых телескопов, мы с коллегами изучали канал в этом диске. В канале формируются излучение и ветер. Объекты типа SS433 в других галактиках ориентированы для нас случайно. В канале происходит геометрическая коллимация излучения. Те объекты, у которых мы увидим дно канала, будут выглядеть чрезвычайно яркими рентгеновскими источниками».

Впервые мощные рентгеновские источники в других галактиках были открыты в 2000 году с помощью рентгеновской обсерватории «Чандра» (Chandra X-ray Observatory, NASA). Они были названы ультраяркими рентгеновскими источниками. Это объекты, рентгеновская светимость которых в сотни и тысячи раз больше, чем светимость самых ярких черных дыр нашей Галактики.

«Существует несколько интерпретаций ультраярких рентгеновских источников. Одна из них связана с тем, что первые звезды, которые образовывались сразу после рождения нашей Вселенной, на красных смещениях z=15-25, должны были быть очень массивными – сотни и тысячи масс Солнца. Соответственно, они должны производить примерно такие же массивные черные дыры в сотни и тысячи масс Солнца. Это – т. н. черные дыры промежуточных масс; позднее они будут захвачены образующимися галактиками, попадут в скопления звезд и захватят звезды. И теперь мы видим их как очень яркие рентгеновские источники. Другая интерпретация, которая сейчас мне представляется единственно верной, заключается в том, что ультраяркие рентгеновские источники – это черные дыры типа SS433, и мы их наблюдаем близко к оси аккреционного диска», – объясняет С.Фабрика.

Рисунок 2. Туманность, связанная с ультраярким рентгеновским источником в галактике Holmberg IX. Кружком показано место локализации рентгеновского источника. Изображение туманности получено проф. M. Pakull на японском 8-м телескопе Subaru. Спектры звезд в рентгеновском боксе ошибок были получены группой С. Фабрики на том же телескопе. Фото с сайта fian-inform.ru

Рисунок 3. Сталкивающиеся галактики Antennae (NGC 4038 и NGC 4039). Справа показано изображение галактик, сделанное с помощью телескопа Хаббл (Hubble Space Telescope), это же изображение показано зеленым контуром слева. Фото с сайта fian-inform.ru

Рисунок 4. Ультраяркие рентгеновские источники в галактиках Antennae (Hubble Space Telescope). Зелеными кружками показаны места локализации рентгеновских источников, палочки указывают на скопления звезд (где это не очевидно), связанные с ультраяркими рентгеновскими источниками. Спектры этих скоплений получены с помощью телескопа VLT (European South Observatory, Paranal, Chile). Фото с сайта fian-inform.ru

Группа ученых под руководством С.Фабрики получила спектры оптических звезд, находящихся в местах локализации нескольких ультраярких рентгеновких источников. Из них они выбрали самые яркие объекты, т. е. самые близкие, находящиеся на расстояниях не более 10 мегапарсек. Даже для самых ярких звезд – оптических двойников ультраярких источников, – потребовался один из самых крупных телескопов мира – восьмиметровый японский телескоп Subaru. Оказалось, что все эти звезды имеют одинаковый спектр, причем такой же, как у известного SS433. Этот спектр сформирован в горячем ветре, температура газа – около 50 000 К, а скорость ветра – около 1000 км/с.

«Нам удалось доказать, – делится Сергей Фабрика, – что ультраяркие рентгеновские источники принадлежат молодому и массивному звездному населению. Наблюдения взаимодействующих галактик Антенны, в которых много молодых звезд и ультраярких источников, показали, что такие источники связаны с молодыми звездными скоплениями. Возраст скоплений – не более 5 млн лет; соответственно, массы звезд-предшественников ультраярких источников были более 50-70 масс Солнца».

Эти наблюдения показывают, что ультраяркие рентгеновские источники есть не что иное, как сверхкритические аккреционные диски вокруг черных дыр звездных масс в двойных системах. Но помимо этого, они также подтверждают современные представления о формировании скоплений звезд. При коллапсе ядра скопления самые массивные звезды опускаются в центр на относительно короткое время (около 1 млн лет), при этом в скоплении формируется плотное ядро из массивных звезд. В результате тройных или четвертных столкновений скопление выбрасывает двойные массивные звезды и вокруг него формируется ореол из молодых массивных звезд. Далее эти звезды вспыхивают как сверхновые и производят релятивистские звезды, которые наблюдаются с Земли как яркие и ультраяркие рентгеновские источники. Именно по этой причине часть источников находится не в скоплениях, а на расстоянии 100-300 парсек от скоплений (как на рис. 4).

Источник: АНИ «ФИАН-информ»