Телескоп NuSTAR просветил рентгеном Вселенную

С начала 2017 г. было опубликовано несколько пресс-релизов, посвященных результатам наблюдений телескопа NuSTAR и их анализу. На данный момент этот космический аппарат, запущенный 13 июня 2012 г. ракетой Pegasus XL на орбиту высотой около 600 км, является самым «молодым» рентгеновским телескопом из тех, которые продолжают успешно функционировать по сей день (напомним, что японская обсерватория «Хитоми» в конце марта 2016 г. вышла из строя).

В данном редакционном обзоре представлены, по нашему мнению, несколько наиболее интересных новостей, появившихся на сайте NuSTAR.

Исследования Туманности Андромеды

В январе минувшего года NuSTAR позволил составить наилучшую карту центральной части ближайшей крупной спиральной галактики Туманность Андромеды (M31) в высокоэнергетическом диапазоне. Космическая обсерватория выявила 40 «рентгеновских двойных» — интенсивных источников рентгеновского излучения, состоящих из черной дыры или нейтронной звезды, подпитывающейся веществом ее «нормального» звездного компаньона.

Полученные результаты помогут исследователям лучше понять роль подобных двойных систем в эволюции Вселенной. По мнению астрономов, эти объекты могут играть решающую роль в нагревании межгалактического газа, в том числе в ту эпоху, когда из него формировались первые галактики.

По словам участника исследования Дэниела Вика из Центра космических полетов им. Годдарда (Daniel Wik, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland), Туманность Андромеды является единственной крупной спиральной галактикой, в которой, благодаря сравнительной близости, можно четко наблюдать отдельные рентгеновские двойные системы и подробно изучать их в окружении, напоминающем наш Млечный Путь. Астрономы используют эту информацию для того, чтобы узнать, что происходит в более далеких галактиках, наблюдаемых с трудом.

Другие рентгеновские космические миссии (в частности, телескоп Chandra) ранее также получили достаточно четкие изображения M31, но в более низкоэнергетических спектральных диапазонах. Их сочетание с данными NuSTAR обеспечит астрономов информацией, необходимой для выбора наиболее правдоподобного объяснения природы рентгеновских двойных систем в спиральных галактиках. Сейчас считается, что один объект в них всегда является «мертвой» звездой — остатком взорвавшегося светила, исходно более массивного, чем Солнце. В зависимости от его первоначальной массы и других свойств после взрыва оно превращается в черную дыру либо нейтронную звезду (пульсар). При достаточной близости звезды-компаньона ее вещество может начать «перетекать» на сверхплотный объект. При падении материала он закручивается в так называемый аккреционный диск и нагревается до столь высоких температур, что начинает интенсивно излучать в рентгеновском диапазоне. Используя наблюдения NuSTAR, Дэниел Вик и его коллеги работают над определением доли черных дыр и нейтронных звезд среди рентгеновских источников.

В последние несколько лет астрономы пришли к пониманию того, что подобные двойные системы, скорее всего, играли решающую роль в нагреве межгалактического газа на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Новые исследования помогут создать значительно более детальное описание этого важного периода. Кроме того, они демонстрируют заметные отличия Туманности Андромеды от нашего Млечного Пути: судя по всему, процессы формирования звезд в этих двух галактиках протекали немного по-разному.

«Хор» черных дыр

Сверхмассивные черные дыры (далее — СМЧД), подобно вселенскому хору, «поют» на языке рентгеновских лучей. Когда они поглощают сгустки окружающей материи, то испускают мощные рентгеновские вспышки. Этот «хор», в котором лишь иногда удается распознать отдельные «голоса», состоит из миллионов источников, разбросанных по всему небу — астрономы называют его космическим рентгеновским фоном.

Обсерватории Chandra удалось выявить многие из так называемых активных черных дыр, вносящих вклад в этот фон (в основном они находятся в пределах Млечного Пути),10 но она «не заметила» те из них, которые излучают в самом высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне. В эту часть спектра смог «заглянуть» телескоп NuSTAR. Он впервые предоставил возможность «услышать» большое количество черных дыр, «поющих» в жестком рентгене. Другими словами, этот инструмент помог добиться значительного прогресса в пространственном разрешении высокоэнергетического рентгеновского фона.

По словам главного исследователя миссии NuSTAR в Калифорнийском технологическом институте Фионы Харрисон (Fiona Harrison, Caltech, Pasadena), астрономы смогли выделить намного больше индивидуальных источников фона, увеличив их долю в количественном соотношении с 2% до 35%. Кроме того, теперь мы можем увидеть даже «затемненные» СМЧД, скрытые от нас густыми газово-пылевыми облаками.

Результаты новых исследований помогут понять, как «подпитка» черных дыр меняется с течением времени. Это ключевой фактор роста не только СМЧД, но также их «родительских» галактик. Подобный сверхмассивный объект в центре Млечного Пути в настоящее время спокоен, однако в прошлом он также активно поглощал материю, увеличиваясь в размерах и излучая в широчайшем спектральном диапазоне.

По мере роста массы черных дыр их гравитация закономерно увеличивается. Частицы падающей на них материи разгоняются до скорости, близкой к скорости света, и нагреваются до сверхвысоких температур. В совокупности эти процессы отвечают за возникновение рентгеновского излучения. СМЧД с большим количеством аккрецирующего вещества будет испускать больше высокоэнергетических рентгеновских лучей.

До появления снимков NuSTAR рентгеновский фон в области высоких энергий выглядел как набор расплывчатых пятен без каких-либо конкретных источников, а именно их статистика и была важна для понимания его природы. По словам соавтора исследования Дэниела Штерна из Лаборатории реактивного движения NASA (Daniel Stern, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California), ученые догадывались, что космический «рентгеновский хор» имеет сильную высокоэнергетическую компоненту, но до сих пор не было неизвестно, приходит ли она от большого количества мелких спокойных источников, или же от нескольких «певцов» с громкими «голосами». Теперь, благодаря NuSTAR, исследователи существенно приблизились к решению этой проблемы.

Жесткое рентгеновское излучение может показать нам ближайшее окружение наиболее «запыленных» СМЧД, иначе недоступных наблюдениям. NuSTAR способен видеть сквозь газ и пыль, подобно тому, как медицинский рентген проникает сквозь кожу и мышцы, чтобы получить снимки костей. Имея более полное представление о популяции черных дыр, астрономы смогут ответить на несколько важных вопросов, а именно: как эволюционируют подобные объекты, когда начинается и прекращается их «питание», каково распределение материи в их окрестностях.

Медленный пульсар

В сентябре 2016 г. был представлен пресс-релиз, посвященный очень необычному типу объектов — магнитарам.

Используя космический телескоп Chandra и другие рентгеновские обсерватории, астрономы обнаружили, вероятно, один из наиболее экстремальных пульсаров. Он проявляет свойства сильно намагниченной нейтронной звезды (такие объекты называют магнитарами), но его вычисленный период вращения в тысячи (!) раз больше, чем у любого другого пульсара.

Уже многие десятилетия исследователям известен компактный источник 1E 1613 в центре RCW 103 — остатка вспышки Сверхновой, расположенного на расстоянии 9 тыс. световых лет. Ранние наблюдения помогли установить, что он представляет собой чрезвычайно плотную нейтронную звезду, созданную взрывом массивного светила (другим последствием взрыва стала расширяющаяся туманность). Однако регулярное изменение яркости источника в рентгеновском диапазоне с периодом 6 часов 40 минут оставалось загадкой для ученых. Все предложенные модели не смогли объяснить настолько большой период. Основные идеи отталкивались от того, что может существовать неизвестный пока механизм замедления вращения пульсара, либо же он является одним из компонентов двойной системы, обращаясь вокруг «нормальной» звезды.

22 июня 2016 г. инструмент BAT космического телескопа Swift12 зарегистрировал короткий всплеск рентгеновского излучения от 1E 1613. Внимание ученых привлек тот факт, что на фоне основной вспышки источник также показывал интенсивные, чрезвычайно резкие миллисекундные колебания (длительностью ~8 мс), свойственные другим известным магнитарам, обладающим самыми мощными магнитными полями во Вселенной и способным за короткое время излучать огромное количество энергии.

Команда астрономов во главе с Нандой Ри из Амстердамского университета (Nanda Rea, University of Amsterdam) воспользовалась услугами двух орбитальных телескопов — Chandra и NuSTAR. Данные новых наблюдений, а также архивы спутников Chandra, Swift и XMM-Newton подтвердили, что 1E 1613 обладает свойствами магнитара (он стал 30-м известным объектом данного типа). Эти свойства включают заметный избыток рентгеновских лучей относительно излучения в других частях спектра, а также характер «охлаждения» нейтронной звезды после вспышек в 1999 и 2016 гг. Объяснение в виде двойной системы признано маловероятным, поскольку мощность вариаций в рентгеновском диапазоне резко меняется и со временем, и на протяжении исследованного участка электромагнитного спектра. А такое поведение характерно именно для магнитаров.

Однако еще остается неразгаданной тайна вращения источника, период которого во много раз превышает периоды самых медленных известных магнитаров (обычно составляющие порядка 10 секунд). Таким образом, 1E 1613 — возможно, наиболее медленно вращающаяся нейтронная звезда из всех обнаруженных до сих пор.

Пульсары сразу после рождения в результате взрывов сверхновых вращаются очень быстро, а затем, по мере потери кинетической энергии, их вращение замедляется. Тем не менее, исследователи считают, что возраст магнитара в остатке RCW 103 составляет всего около 2 тыс. лет, чего явно недостаточно для достижения его нынешнего периода в результате действия уже известных механизмов. По этому поводу существует несколько идей. Суть самой простой из них заключается в том, что «обломки» взорвавшегося светила через какое-то время упали обратно на нейтронную звезду. В ходе падения они взаимодействовали с силовыми линиями ее магнитного поля, также вращающегося вместе с ней, что привело к ее торможению. Сейчас в данном направлении ведутся наблюдения других медленно вращающихся магнитаров для более детальной проработки этой идеи.

Еще одна группа ученых во главе с Антонино Д’Айи из Национального института астрофизики в Палермо (Antonino D’Aì, Istituto Nazionale di Astrofisica, Palermo, Italia) исследовала 1E 1613 в рентгеновских лучах с помощью спутника Swift, а также в ближнем инфракрасном и видимом диапазоне с помощью 2,2-метрового телескопа ESO обсерватории Ла-Силья в Чили. Они искали любой объект, который мог бы быть ответственным за рентгеновский всплеск, и тоже пришли к выводу, что этот источник является магнитаром с очень большим периодом вращения.

Близкие черные дыры

Группа астрономов под руководством доктора Дэниела Штерна из Лаборатории реактивного движения (Daniel Stern, Jet Propulsion Laboratory), используя рентгеновский телескоп NuSTAR, идентифицировала две окутанных пылью сверхмассивных черных дыры, расположенных в центрах сравнительно близких галактик IC 3639 и NGC 1448 и являющихся их «центральными двигателями» — в таких случаях принято использовать термин «активные галактические ядра» (АЯГ). В зависимости от того, каким образом эти ядра ориентированы относительно луча зрения и каковы характеристики окружающего их материала, при наблюдениях они будут демонстрировать различные свойства. АЯГ неимоверно мощно излучают благодаря тому, что материя в близких к черной дыре областях становится очень горячей и светится почти во всем диапазоне электромагнитного спектра — от радиоволн (фотоны низких энергий) до высокоэнергетического жесткого рентгена. При этом наиболее активные ядра могут быть окружены толстым и плотным газово-пылевым тором, заслоняющим их от некоторых наблюдателей (но в направлениях, перпендикулярных к главной плоскости тора, их излучение распространяется почти без помех).

NGC 1448 и IC 3639 находятся на расстояниях соответственно 39 и 176 млн световых лет. Рентгеновские наблюдения телескопа NuSTAR в сочетании с архивными данными орбитальных обсерваторий Chandra и «Сузаку» для более длинноволнового диапазона свидетельствуют о том, что оба источника содержат сильно затемненные окружающим веществом аккрецирующие сверхмассивные черные дыры. По космическим меркам они расположены сравнительно близко к Млечному Пути, однако обнаружить их долгое время не удавалось.

По всей видимости, непрозрачные тороидальные газово-пылевые облака в окрестностях галактических ядер ориентированы таким образом, что астрономы наблюдают их «с ребра», то есть вместо того, чтобы напрямую видеть яркие центральные области, телескопы в первую очередь регистрируют рентгеновские лучи, рассеянные пылевыми частицами (примерно так же мы не можем непосредственно увидеть диск Солнца в облачный день). Ранее считалось, что главная плоскость таких облаков примерно совпадает с аналогичной плоскостью галактик. Тем не менее, одна из исследуемых звездных систем — IC 3639 — сама по себе расположена по отношению к нам «плашмя»: мы хорошо видим ее спиральную структуру.

При анализе данных NuSTAR ученые сравнили их с предыдущими наблюдениями галактики IC 3639 телескопами Chandra и «Сузаку». Полученные результаты подтверждают ранее установленный активный характер ее ядра. Также сделаны довольно точные оценки количества затмевающего материала вокруг центральной черной дыры, что позволило астрономам примерно определить ее массу.

Не менее удивительной оказалась спиральная галактика NGC 1448 — одна из ближайших к Млечному Пути звездных систем с активным ядром. Исследователи обнаружили, что она характеризуется очень большим значением т.н. столбцовой плотности вещества, скрывающего центральную черную дыру и почти наверняка имеющего отношение к части газово-пылевого тора. Базируясь на рентгеновских данных NuSTAR и Chandra, удалось подтвердить, что ядро этой галактики скрыто от прямых наблюдений толстым слоем газа и пыли. Ученые также выяснили, что NGC 1448 имеет многочисленное очень молодое звездное население возрастом всего около 5 млн лет, а это предполагает одновременную активность сверхмассивной черной дыры и достаточно интенсивное звездообразование — до сих пор считалось, что эти процессы исключают друг друга и не могут происходить совместно в пределах сравнительно небольшой области пространства.