Сотрудники Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН (Санкт-Петербург) впервые обнаружили наблюдательные свидетельства присутствия сильного магнитного поля в аккреционном потоке, применив сценарий магнитной аккреции, разработанный ранее в отношении черных дыр, к нейтронным звездам. Об этом во время визита в ФИАН рассказал заведующий сектором эволюции звезд ГАО РАН доктор физико-математических наук Назар Ихсанов.

    В 1971 году советский физик В.Ф. Шварцман впервые показал, что присутствие сильного магнитного поля в веществе, захватываемом черной дырой, может существенно изменить весь процесс аккреции в целом. Собственное магнитное поле потока, при определенных условиях, оказывается способным остановить процесс падения вещества на значительном расстоянии от черной дыры, которое именуется радиусом Шварцмана. Развивая эту идею, другие советские ученые, Г.С. Бисноватый-Коган и А.А. Рузмайкин, в 1974 году пришли к выводу, что влияние сильного поля аккреционного потока приводит к образованию вокруг черной дыры магнитной пластины, напоминающей аккреционный диск, но практически не вращающейся. Последовавшие за этим многочисленные попытки найти наблюдательные подтверждения такого сценария неизменно оказывались тщетными в силу технических трудностей проверки предсказаний модели магнитной аккреции на черные дыры. Положение, однако, радикально изменилось, когда сотрудниками Пулковской обсерватории впервые в мировой практике была предпринята попытка моделирования магнитной аккреции на нейтронные звезды, которые, находясь в составе массивных двойных систем, проявляют себя как рентгеновские пульсары. Многие вопросы относительно природы этих «хорошо изученных» систем до настоящего времени остаются не отвеченными.

    «На рассмотрение вопроса о возможности магнитной аккреции в рентгеновских пульсарах нас натолкнул исключительно высокий темп торможения вращения  нейтронной звезды, эпизодически наблюдаемый в системе GX 301-2. Объяснить этот  феномен в рамках стандартных моделей - сферической или дисковой аккреции - можно лишь предположив, что магнитное поле звезды превосходит 200 Гигагаусс. Однако величина магнитного поля, оцененная из наблюдений циклотронной линии в рентгеновском спектре этого объекта, оказывается в 100 раз меньше», - рассказывает сотрудник Пулковской астрономической обсерватории РАН Назар Ихсанов.

    В 2011 году был обнаружен еще один объект со схожим поведением – астрономы обнаружили "заторможенные" останки сверхновой - рентгеновский пульсар SXP 1062, расположенный в оставшемся от взрыва плазменном облаке. При относительно юном возрасте (всего 20 тыс. лет) эта нейтронная звезда вращается с удивительно долгим периодом (1062 секунды), который эпизодически увеличивается с высоким темпом. Объяснить происхождение и поведение такого объекта в рамках стандартной модели оказывается затруднительным. Но на помощь приходит сценарий магнитной аккреции, в рамках которого появление такого пульсара оказывается скорее закономерным.

    «Магнитная аккреция в рентгеновских пульсарах реализуется в том случае, если радиус Шварцмана превосходит канонический Альвеновский радиус нейтронной звезды. В противном случае, процесс падения вещества описывается стандартной моделью квазисферической или дисковой аккреции. Взяв это за основу, мы обнаружили, что темп торможения нейтронных звезд, находящихся в условиях магнитной аккреции, действительно должен быть существенно выше темпа торможения звезд, аккрецирующих вещество без магнитного поля», - объясняет Ихсанов.

    Условно говоря, это происходит потому, что влияние магнитного поля аккреционного потока приводит к изменению не только его структуры, но и механизма взаимодействия падающего вещества с магнитным полем самой звезды. Вещество на внутреннем радиусе магнитной пластины накапливается до тех пор, пока его отток из пластины в магнитосферу вследствие диффузии и перезамыканий силовых линий магнитного поля, не сравняется с притоком газа, захватываемым звездой из своего окружения. Это приводит к большим плотностям плазмы на границе магнитосферы и значительному увеличению темпа торможения вращения нейтронной звезды.

    Полученные выводы могут быть проверены путем измерения магнитного поля массивных компаньонов нейтронных звезд и изучения свойств аккреционного канала у поверхности нейтронной звезды методами рентгеновской спектроскопии.

С. Чуваева, АНИ "ФИАН-Информ"

04.12.2012

В ходе Гинзбурговской конференции по физике, прошедшей в ФИАНе в начале лета, известный астрофизик, профессор Бруно Коппи (Массачусетский технологический институт, США) рассказал о новых плазменных конфигурациях, а также конфигурациях магнитного поля, которые могут образовываться вокруг черной дыры под совокупным воздействием гравитации, дифференциального вращения, частиц высоких энергий или градиентов температуры.

    Многие из нас, в том числе и далекие от мира науки, видели иллюстрации с изображением черных дыр. На них эти таинственные объекты рисуют в виде диска и вырывающейся из него струи вещества – джета.  В реальности это не совсем так.

    «Часто об аккреционном диске, окружающем черную дыру, говорят так, будто это газ, но на самом деле это плазма. В этой плазме формируются плазменные структуры, например, кольца или кристаллические структуры, созданные из последовательности колец. К их образованию, как мы выяснили, приводят коллективные процессы в плазме, так называемые магнито-гравитационные моды. Таким образом, струи, вырывающиеся из центра компактных объектов, можно было бы представить, как если бы они были сформированы серией «колец курильщика», сформированных вдоль оси вращения черной дыры в непосредственной близости от нее», - прокомментировал Бруно Коппи.

    Ученый надеется, что этот и другие важные процессы в физике плазмы, окружающие черные дыры (такие как, например, «выпадение углового момента»), будут уточнены в исследованиях на одном из самых передовых термоядерных реакторов -  «Игнитор». Этот реактор в настоящее время разрабатывается совместно Италией и Россией. Цель проекта - достижение условий зажигания, когда сжигание дейтерий-трития (две формы «тяжелого водорода») может быть устойчивым процессом. Плазма, произведенная «Игнитором», будет иметь высокую плотность, а сама машина будет характеризоваться высокими магнитными полями.

С. Чуваева, АНИ "ФИАН-Информ"

01.11.2012

Во время Гинзбурговской конференции по физике, прошедшей в ФИАНе с 28 мая по 2 июня, заведующий Лабораторией физики звезд Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН), доктор физ.-мат. наук Сергей Фабрика рассказал о сверхкритических режимах аккреции вещества на черные дыры и представил результаты последних 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 Сергей Фабрика.

    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 (то есть, черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд) в тесных двойных системах при темпах аккреции, превышающих 10^-7 масс Солнца в год, так и в случае сверхмассивных черных дыр в квазарах и ядрах галактик при темпе аккреции большем 1-10 масс Солнца в год. В нашей Галактике сверхкритический режим аккреции могут показывать так называемые 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.}

    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 формируется 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 массой сотни - тысячи масс Солнца. Это так называемые 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 Сергей.

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

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)

    Группа ученых под руководством Сергея Фабрики получила спектры оптических звезд, находящихся в местах локализации нескольких ультраярких рентгеновких источников. Из них они выбрали самые яркие объекты, то есть 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 - 8-метровый 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 50000 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 миллионов лет, соответственно, массы звезд-предшественников ультраярких источников были более 50-70 масс Солнца".

    Эти наблюдения показывают, что ультраяркие рентгеновские источники - есть ни 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, производят релятивистские звезды, которые наблюдаются с Земли как яркие (и ультраяркие) рентгеновские источники. Именно по этой причине часть источников находятся не в скоплениях, а на расстоянии 100-300 парсек от скоплений (как на рисунке 4).

С. Чуваева, АНИ "ФИАН-информ"
22.08.2012