Астрономы обнаружили «сверхмягкие» источники рентгеновского излучения

Фото из открытых источников

Рентгеновское излучение демонстрирует некоторые из самых уникальных астрономических объектов во Вселенной. Нейтронные звезды и черные дыры, поглощающие газ от звезд-компаньонов, на этом уровне излучения выглядят как бельмо на глазу. Однако, согласно новой статье Мустафы Мухибуллы и Джимми Ирвина из Университета Алабамы и Розанны Ди Стефано из Центра астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института, существует еще одна группа сверхъярких источников рентгеновского излучения, которые мы до сих пор совершенно не замечали. Они называют их гипермягкими источниками рентгеновского излучения (HSS) и, согласно пресс-релизу, сопровождающему статью, могут ответить на два давних астрономических вопроса.

Для начала определим, что делает объект высокоэнергетическим (ВЭ) объектом. Рентгеновские лучи — это фотоны с самой высокой энергией во Вселенной, их энергия колеблется от нескольких сотен электронвольт (эВ — стандартная единица измерения энергии фотона в астрономии) до нескольких тысяч. Чуть ниже в энергетическом диапазоне находятся фотоны крайнего ультрафиолетового излучения (УФ), энергия которых колеблется от 13,6 эВ до 124 эВ.

Обнаружение объектов в крайнем ультрафиолетовом диапазоне во Вселенной — задача крайне сложная, поскольку нейтральные водород и гелий, пронизывающие межзвездную и межгалактическую среду, чрезвычайно эффективно поглощают эти фотоны, что делает их крайне редкими объектами, способными достичь Земли. Однако объект, ярко светящийся в этом спектре, обычно создает «хвост» фотонов, простирающийся в «мягкую» часть рентгеновского спектра — то есть в самую низкоэнергетическую (или «сверхмягкую») форму рентгеновского излучения.

Изучая данные рентгеновской обсерватории Чандра НАСА, работающей более 20 лет, команда установила ряд критериев, которые они определили как характеристики высокоэнергетических объектов (ВЭО): они должны быть наблюдаемы в диапазоне энергий от 150 до 300 эВ, практически без излучения выше этого энергетического уровня, и должны производить 8 фотонов в «мягком» (т.е. низкоэнергетическом) конце рентгеновского спектра на каждый фотон, произведенный в «жестком» конце. Изучив шесть близлежащих галактик, включая Андромеду и галактику «Вертушка», команда обнаружила 84 различных ВЭО — чрезвычайно большое количество чрезвычайно ярких объектов.

Поэтому возникает очевидный вопрос: если эти источники такие яркие, почему мы обнаруживаем их только сейчас? Телескоп Чандра работает уже более двадцати лет, наверняка кто-то уже давно проанализировал данные в поисках этих объектов. Ответ связан с методом, который большинство исследовательских групп используют для упрощения анализа собственных данных.

В пресс-релизах, объявляющих об астрономических открытиях, о калибровке говорится не так уж много, но она является критически важной частью любого анализа данных. А калибровка телескопа для точного сбора данных в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне — задача чрезвычайно сложная. Поэтому большинство исследовательских групп просто отфильтровывают энергии ниже 300 эВ, чтобы исключить фоновый шум в своем наборе данных.

Ситуацию усугубляет то, что сам телескоп Chandra постепенно терял чувствительность на этом энергетическом уровне. Выделение газов из самого телескопа покрыло холодные оптические фильтры камеры ACIS, образовав слой загрязнений, который отфильтровывает мягкое рентгеновское излучение. Используя устойчивое свечение скопления галактик Abell 1795, авторы показали, что к 2017 году чувствительность Chandra в этом энергетическом диапазоне упала ниже 20% от ее первоначальной мощности. Поэтому они просто использовали наборы данных, полученные до этого времени, чтобы гарантировать точность своих данных.

Расчет энергии, излучаемой этими объектами, дает поразительные результаты. Только в диапазоне мягкого рентгеновского излучения они излучают в десятки тысяч и сотни тысяч раз больше энергии, чем Солнце во всем своем спектре. Экстраполируя их суммарное излучение, что включает в себя использование своего рода «болометрической коррекции» для учета скрытого ультрафиолетового излучения, не достигающего Земли, можно сказать, что самые яркие из этих объектов достигают уровней энергии, сопоставимых с уровнями сверхъярких рентгеновских источников, и входят в число самых ярких невзрывных объектов в галактиках, в которых отсутствуют активные центральные сверхмассивные черные дыры или интенсивные вспышки звездообразования.

По мнению авторов, эти чрезвычайно яркие источники могут быть питаемы тремя потенциальными процессами. Во-первых, они отмечают, что по крайней мере некоторые из них идеально совпадают с местами, где, как нам уже известно, происходили вспышки новых звезд, особенно в Андромеде. После того, как белый карлик сбрасывает свои выходные слои, горение водорода, которое он испытывает, постепенно прекращается, охлаждаясь через временную «сверхмягкую» фазу.

Во-вторых, белый карлик может поглощать вещество от звезды-компаньона, расширяя её фотосферу и смещая её свет в диапазоны крайнего ультрафиолета и сверхмягкого рентгеновского излучения. Но для сверхъярких звезд с более высокими энергиями, скорее всего, причиной появления этих чрезвычайно ярких объектов является черная дыра звездной или промежуточной массы, окруженная более холодным аккреционным диском.

Независимо от источника, по мнению авторов, эти объекты потенциально могут помочь ответить на две космические загадки. Первая — откуда берутся сверхновые типа Ia. Эти звездные взрывы служат «стандартными свечами» для измерения расстояния до объекта, однако мы никогда по-настоящему не находили звезды, которые взрываются в этот конкретный тип сверхновых. Согласно статье, должна существовать популяция звезд мягкого рентгеновского излучения, которые могли бы служить прародителями этого типа сверхновых, но предыдущие исследования не дали данных об их численности на порядки меньше, чем предполагалось. Новая работа предполагает, что, возможно, они скрываются на виду в гипермягком и крайнем ультрафиолетовом диапазонах.

Вторая загадка связана с ионизацией межзвездного гелия. Хотя гелий блокирует многие типы крайнего ультрафиолетового излучения, они все же излучают в других энергетических диапазонах. Однако ученые отмечают, что они делают это с гораздо большей энергией, чем можно было бы ожидать от типов звезд, которые, как обычно считается, их питали. Звезды с высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению (HSS) могли бы обеспечить эту недостающую энергию, особенно если их энергетические пики сосредоточены в диапазоне 15-25 эВ, в котором гелий поглощает наиболее эффективно.

Даже если HSS не являются ответом на эти две загадки, эта статья демонстрирует, как данные десятилетней давности могут по-прежнему преподносить сюрпризы при новом анализе. Пройдет еще некоторое время, прежде чем появится преемник Chandra, который сможет дать еще больше информации об этих недавно обнаруженных ярких источниках, но, по крайней мере, сейчас, возможно, стоит внимательнее взглянуть на данные, уже собранные этим почтенным телескопом.