Результаты наблюдений космической обсерватории "Спектр-РГ"
Первый каталог «событий приливного разрушения звезд» по результатам наблюдений Спектр-РГ.
Если звезда пролетает мимо черной дыры слишком близко, она рискует навсегда сгинуть за горизонтом событий – областью невозврата, откуда из-за мощного притяжения черной дыры не может вырваться даже свет (самый быстрый во Вселенной).
Подобные события часто происходят в разных уголках галактик, ученые фиксируют их с приходом потоков мощного рентгеновского излучения. Оно образуется, когда неосторожную звезду разрывает приливными силами из-за разницы сил притяжения вещества в обращенной к черной дыре стороны звезды и в обратной. В дальнейшем падающие «обломки» звезды, закручиваясь вокруг нее в аккреционный диск, приведут к мощной вспышке рентгеновского излучения.
Еще в 70–80-х годах прошлого века исследователи-астрофизики предсказывали «события приливного разрушения» (tidal disruption events или TDE), но обнаружить их удалось с появлением чувствительных рентгеновских телескопов в начале 1990-х годов.
Сегодня такие события наблюдает уникальная обсерватория «Спектр-РГ» производства НПО Лавочкина. На ее борту находятся два телескопа: ART-XC имени М.Н. Павлинского (ИКИ РАН) и eROSITA (MPE, Германия). Высокая чувствительность детекторов и широкое поле зрения телескопа eROSITA впервые в истории рентгеновской астрономии позволили начать массированный поиск событий приливного разрушения во Вселенной.
Ученые опубликовали первые результаты этого поиска в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт работы доступен на сайте arXiv.org. В работе участвовали 25 исследователей из России, США и Нидерландов.
«На первом этапе исследования мы составили каталог рентгеновских источников, которые были обнаружены с помощью телескопа eROSITA в ходе второго полугодового обзора неба, но не были зарегистрированы в ходе первого обзора. Мы также поставили условие, что яркость источника во втором скане должна как минимум в десять раз превышать его яркость в первом скане. Таким образом была составлена выборка из порядка ста ярких переменных источников (транзиентов) рентгеновского излучения, расположенных на половине неба, за обработку данных на которой отвечают российские участники научного сообщества СРГ/eROSITA», — рассказывает к.ф.-м.н. Павел Медведев, научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.
Сравнение с астрометрическим каталогом спутника Gaia (ESA) показало, что многие из этих объектов — звезды нашей Галактики. Для исследования остальных, предположительно внегалактических, транзиентов были организованы наблюдения практически на всех больших оптических телескопах нашей страны: 6-метровом телескопе БТА САО РАН, 2.5-метровом телескопе Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ, 1.6-метровом телескопе АЗТ-33ИК ИСЗФ СО РАН, 1.5-метровом Российско-турецком телескопе, а также на одном из крупнейших телескопов в мире — 10-метровом телескопе Кека на Гавайях (США).
По полученным оптическим спектрам удалось классифицировать эти объекты, измерить расстояния до них и выделить среди них шестнадцать событий приливного разрушения, тринадцать из которых обсуждаются в статье.
«О том, что мы имеем дело с разрушением звезды около массивной черной дыры, свидетельствуют мягкость полученных рентгеновских спектров, присутствие протяженного объекта — галактики — в области локализации рентгеновского источника и отсутствие мощных эмиссионных линий в оптическом спектре галактики. По своим свойствам эти объекты явно отличаются от активных ядер галактик, в которых происходит продолжительная (тысячи и миллионы лет) аккреция межзвездного газа на сверхмассивную черную дыру», — объясняет к.ф.-м.н. Георгий Хорунжев, научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.
Приливные разрушения звезд легче всего находить в «пассивных» ядрах галактик, в которых черная дыра обычно «спит» и может вспыхнуть только на короткое время после разрыва звезды. Такая «дремлющая» черная дыра есть и в центре нашей Галактики Млечный Путь, но в нашей Галактике мы никогда не видели TDE и вряд ли увидим в ближайшие тысячи лет.
Ближайшее из событий приливного разрушения, открытых обсерваторией «Спектр-РГ», произошло в галактике на расстоянии около 500 миллионов световых лет от нас, а самое далекое — в галактике на космологическом красном смещении 0.581, т.е. случилось около 6 миллиардов лет назад. А их рентгеновские светимости достигали в некоторых случаях 1038 ватт.
«Чтобы обеспечить такое колоссальное энерговыделение, черная дыра должна поглощать вещество в темпе порядка ста масс Земли в день, — рассказывает профессор РАН Сергей Сазонов, руководитель лаборатории экспериментальной астрофизики ИКИ РАН и первый автор статьи. — Рентгеновская вспышка длится как минимум несколько месяцев, о чем говорит повторное детектирование ряда транзиентов спустя полгода (в третьем скане неба телескопа eROSITA) после их открытия. За это время черная дыра с собственной массой порядка десяти тысяч — ста миллионов масс Солнца успевает поглотить примерно половину вещества разрушенной звезды».
В работе ученые впервые построили функцию рентгеновской светимости событий приливного разрушения. Оказалось, что частота появления таких событий во Вселенной уменьшается с увеличением светимости (чем больше рентгеновских фотонов во вспышке, тем реже), а в среднем разрушения звезд происходят примерно раз в сто тысяч лет в расчете на одну галактику. Поэтому для их поиска приходится осматривать большой объем Вселенной, содержащий миллионы галактик.
«Обсерватория „Спектр-РГ“ продолжает поиск событий приливного разрушения звезд черными дырами. К настоящему моменту оптические наблюдения с Земли подтвердили уже более сорока таких событий, открытых российскими учеными с помощью eROSITA. Это больше, чем число событий такого типа известных до запуска обсерватории. Всего же за четыре года обзора на всем небе есть шанс обнаружить порядка семисот таких событий. В каждой галактике такие события чрезвычайно редки, но, как мы видим, eROSITA способна фиксировать редчайшие случаи TDE от миллиардов галактик, где таятся сверхмассивные черные дыры, не проявляющие себя как яркие рентгеновские источники до тех пор, пока какая-либо звезда не пролетит слишком близко от нее», — заключает академик Рашид Сюняев, научный руководитель орбитальной обсерватории «Спектр-РГ».События приливного разрушения звезд, открытые телескопом СРГ/ eROSITA. Кружками показаны области локализации рентгеновских вспышек – галактики, в которых они произошли.
По материалам ИКИ РАН
***
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 (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (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, 4 из которых будет сканировать всё небо, а 2,5 наиболее интересные объекты Вселенной по заявкам мирового научного сообщества.
- 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 (Германия): доктор Андреа Мерлони (Andrea Merloni)