Микроквазары

Участники:

Фабрика Сергей Николаевич – доктор физико-математических наук

Сулейманов Валерий Фиалович – кандидат физико-математических наук

Александр Гордон: …это явление было названо, но подробно не описано. Поскольку сегодняшняя тема подразумевает, что сначала надо дать дефиницию квазаров, с этого, пожалуй, и начнем.

Сергей Фабрика: Квазары – это черные дыры, которые находятся в ядрах галактик. И массы этих черных дыр – от миллиона до миллиардов масс Солнца. Можно сказать, что почти каждая галактика имеет в ядре такую черную дыру, но не каждая черная дыра светится и становится очень ярким источником.

Валерий Сулейманов: Это от «топлива» зависит, которое поступает на эту черную дыру. От количества падающей на нее материи.

С.Ф. Да, то есть энерговыделение квазара зависит от структуры галактики. Некоторые квазары, наиболее активные, их всего несколько процентов, являются источниками радиоструй. Наблюдаются струи, струйные выбросы, они наблюдаются с помощью радиотелескопов. А микроквазары – черные дыры в тесных двойных системах, массы которых – всего несколько солнечных масс, что примерно в миллионы раз меньше. Было как-то естественно назвать их микроквазарами, хотя мне это определение не нравится, оно несколько филологичное. И еще, если вы на радиотелескопе получили картинку, и смотрите, вы в принципе не отличите, это квазар или микроквазар.

В.С. Дело в том, что от них тоже есть струи, такие же как от настоящих квазаров, просто масштабы их соответственно меньше.

А.Г. И они не обязательно должны находиться в центре галактики, достаточно двойной системы.

В.С. Да, да. Но самое главное, что они потому неотличимы, что они ближе к нам находятся, в нашей Галактике, поэтому масштаб изображения на фоне, в картинной плоскости такой же получается, как у квазаров далеких – они большие, но зато далеко. А здесь маленькие, но близко. Поэтому масштаб одинаковый и выглядят они одинаково.

А.Г. Значит ли это, что мы можем наблюдать микроквазары, которые находятся только в нашей Галактике?

С.Ф. Нет, не значит. Микроквазаров не так много, известно около 20. И поэтому мы выходим в другие галактики, где они более слабые из-за того, что расстояние больше, чтобы искать подобные объекты, и об этом будет определенная речь. Принципиально важно, что черная дыра, чтобы она была наблюдаема, должна подпитываться газом. В микроквазарах – это тесные двойные системы с черной дырой – происходит перетекание газа с одного компонента на второй.

В.С. То есть с одной звезды, нормальной, которая расширилась до того момента, когда, собственно говоря, сила притяжения на поверхности этой звезды равна силе притяжения к черной дыре. Поэтому получается растаскивание, газ перетаскивает прямо с поверхности звезды к черной дыре.

С.Ф. А в недрах галактик подкормка происходит за счет того, что газ в галактике за счет трения медленно стекает к центру.

В.С. Или при взаимодействии двух галактик, что тоже очень вероятно, круговое движение газа нарушается и он может попасть на черную дыру.

С.Ф. От этой подкормки зависит светимость четной дыры. Сколько падает граммов за секунду в центр, на черную дыру, столько и высветится, соответственно, около черной дыры (Валерий более подробно расскажет об этом через минуту), высветится около 6-10 процентов от «эм-це-квадрат». Это огромное энерговыделение и огромное КПД, потому что если сравнить с термоядерными или с ядерными источниками энергии – это в десятки раз больше, более эффективно. Микроквазары – это не только черные дыры, ярчайшие рентгеновские источники, это объекты, выбрасывающие струи. Далеко не все черные дыры в двойных системах так себя ведут. Считается, что для того чтобы появились струи, релятивистский объект должен быть, во-первых, черной дырой. В крайнем случае, нейтронной звездой без сильного магнитного поля, чтобы магнитное поле не поломало аккреционный диск (на картинке как раз аккреционный диск), чтобы газ дошел буквально до центра, до радиуса Шваршильда, тогда появляется возможность выброса струй.

В.С. Здесь на картинке мы можем видеть как раз ту систему, которую мы долго описывали, тесную двойную, где с нормальной звезды идет струя вещества и бьет на черную дыру. И вещество закручивается в кольцо, в диск вокруг черной дыры, потому что оно не может прямо на него упасть из-за того, что происходит вращение системы вокруг общего центра масс. Вещество должно как-то терять свой угловой момент, как спутник-ракета вокруг Земли крутится, и чтобы упасть на нее, на Землю, нужно затормозиться, потерять угловой момент, и здесь точно также. В диске потеря углового момента происходит из-за трения соседних слоев, вращающихся с разной скоростью. При этом выделяется очень большая энергия.

А.Г. Простите, еще один вопрос. А где находится центр массы такой системы, потому что ведь черная дыра…

В.С. Центр массы зависит от массы черной дыры. Нормальная звезда – порядка массы Солнца, наверное, в так называемых маломассивных рентгеновских двойных, или больше гораздо, если это рентгеновская двойная большой массы.

С.Ф. Центр массы посередине.

В.С. Это зависит от массы компонентов, где-то между ними находится. Если массы равные, то посередине, и чем больше масса черной дыры по сравнению с массой звезды, тем ближе к черной дыре.

С.Ф. Механизм ускорения струй.

В.С. Сейчас такие струи, которые мы видели на предыдущей картинке, которые сейчас видим, наблюдаются практически у всех объектов с аккреционными дисками. Поэтому механизмов ускорения струй, скорее всего, несколько. Их, как минимум, известно три. Просто гидродинамические, когда избыточное давление падающего вещества выбрасывает, выталкивает газ перпендикулярно диску в молодых звездах, когда давление излучения, давление света просто выталкивает газ при сверхкритической аккреции, но об этом мы немножко позже поговорим. Или электромагнитный механизм. То есть когда магнитным полем ускоряются частицы, и бьют такие две струи.

А.Г. Верните предыдущую картинку, я хочу уточнить о чем идет речь. Вот эта вертикальная голубая струя…

В.С. Голубые объекты – это и есть струи. А желтенький вокруг – это ветер, просто оттекающий от диска, с меньшей гораздо скоростью.

С.Ф. Центральная часть аккреционного диска более горячая, здесь художник это изобразил голубым, синим цветом.

А.Г. И энергия вертикального потока этих струй, которые выбрасываются, гораздо больше, чем энергия газа, который падает?

В.С. Нет.

А.Г. Тогда за счет чего достигается ускорение?

В.С. Дело в том, что энергии же не может взяться больше, чем она поступила. Поэтому источником энергии является гравитационная энергия падающего вещества. Ее, естественно, должно быть больше, чем энергии оттекающих струй.

А.Г. Понял, спасибо.

С.Ф. Можно так сказать, что там работает очень грубая и поэтому правильная формула для потенциала, или для энерговыделения: в числителе масса, в знаменателе – радиус. Масса – это масса черной дыры или центрального объекта. А радиус – это радиус по диску. И ясно, что чем ближе подходит газ к черной дыре – радиус меньше в знаменателе, получается больше энерговыделение. Там диск разогревается до огромных температур.

В.С. Миллионы градусов.

С.Ф. И существуют специфические механизмы, в частности, электромагнитный, когда вращающаяся черная дыра закручивает вокруг себя пространство, образуются магнитные поля, тороидальное магнитное поле, а электрическое поле направлено по оси вращения. Оно ускоряет заряженные релятивистские частицы – струи.

На предыдущей картинке были показаны как раз результаты наблюдения этих струй. Это знаменитый микроквазар, так называемый gamma-ray source GRS 1915+105. Его последовательно наблюдала группа Ральфа Спенсера, это европейская сеть радиотелескопов со сверхдлинными базами. Масштаб здесь – миллисекунды дуги. Последовательно слева направо видна эволюция струй, после того как они были выброшены. Это картинки были получены через дни. Где-то там слева, соответственно, не нарисован источник. И линии проведены так, что видно, что облака плазмы распространяются по баллистическим траекториям. В этих объектах наблюдаются так называемые сверхсветовые скорости. Об этом, вероятно, в ваших передачах не говорилось. Скорость больше, чем скорость света, запрещена. Но в космосе эти вещи наблюдаются. Это чисто релятивистские эффекты. Если источник движется примерно на наблюдателя со скоростью около скорости света, то сам источник и кванты, излученные им (они движутся со скоростью света), – все движется примерно со скоростью света. То есть весь этот фронт не так уж далеко распространяется. Вся информация приходит к нам сжатой во времени. Таким образом, объект мог 10 лет излучать, 10 лет двигалась эта струя. А мы наблюдаем всю картину за 10 дней. Перед нами картинка ускоренно разворачивается.

В.С. Мы делим на 10 дней, хотя делить надо на 10 лет.

С.Ф. Такие сверхсветовые скорости наблюдаются в радиодиапазоне, они наблюдаются и в квазарах, и в микроквазарах. Кстати, хотел сказать, что где-то в начале 70-х годов, когда открыли сверхсветовые скорости, был большой шум. Люди, вероятно, не очень грамотные, говорили, что Вселенная слишком большая, надо ее сжать. Мол, мы неправильно представляем масштабы Вселенной – нельзя же двигаться быстрее скорости света! Но в работах наших астрофизиков, а именно, в первую очередь, Виталия Лазаревича Гинзбурга, это 60-е годы, а также гениального астрофизика Мартина Риса из Кембриджа, такие вещи уже были предсказаны. И быстро довольно было понято, что это релятивистские эффекты. Релятивистские эффекты, вообще, очень красивы и необычны.

В.С. Связано это с тем, что свет, с какой бы скоростью не двигался источник света, все равно имеет скорость света. Летит источник, скажем, 0.99 от скорости света, испускает свет. И свет впереди источника чуть-чуть только идет. Относительно нас он тоже со скоростью света двигается. То есть он летел-летел, выстрелил что-то из себя, и летит вслед за ним, и еще раз выстрелил, то есть он может 10 лет лететь, потом выстрелить, а кванты к нам приходят от этих двух вспышек спрессованные, через очень небольшой промежуток времени.

С.Ф. Здесь картинка нашего телескопа. Это 6-метровый оптический телескоп в горах Северного Кавказа. Специальная астрофизическая обсерватория, институт Академии наук. Здесь, на этом телескопе, проводятся наблюдения, в частности, микроквазаров, но это далеко не единственная тема. Это фотографии Владимира Романенко, и дальше будут, может быть, фоном показаны картинки нашей обсерватории. Ближе к концу нашего рассказа мы покажем конкретные результаты по этим объектам. Можно следующую картинку?

С.Ф. Вот, пожалуйста, так взорвался тот же микроквазар GRS1915+105. Эта картинка обошла весь мир, ее автор – Филипп Мирабель, он и придумал это название для микроквазаров. Они с соавтором, Родригерсом, наблюдали это явление. По горизонтальной оси идет время. Частокол – это рентгеновское излучение, так объект пульсирует прямо за несколько минут. Вдруг рентгеновское излучение (черная кривая верхняя), резко ослабляется, считается, что это освобождается внутренняя часть аккреционного диска. И возникает всплеск инфракрасного, а потом и радиоизлучения. Здесь формируются релятивистские частицы, которые излучают синхронным образом, двигаясь в магнитных полях. Частицы движутся в струе, это и есть сама струя. Там есть так называемый мягкий спайк, – быстрый-быстрый всплеск рентгеновского излучения, в этот момент как раз и запускаются струи.

Синхротронное излучение – здесь тоже наши советские астрофизики много сделали, тот же самый В.Л.Гинзбург, а также уникальный астрофизик Шкловский Иосиф Самуилович. Синхротронное излучение было ими предсказано, точнее, было предсказано, что оно должно быть очень распространенным в космосе. И струи микроквазаров – в среднем, а может и у всех, – излучают за счет синхротронного излучения выброшенных релятивистских электронов, позитронов – лептонов. Примерно так это выглядит. Как выясняется, во всех микроквазарах, а также в уникальном микроквазаре SS433, к которому мы скоро переходим, тоже перед вспышкой происходит ослабление рентгеновского излучения, то есть как-то выбрасывается вещество из внутренних частей аккреционного диска.

Эта последняя картинка тоже про микроквазары, их наблюдал Роберт Джеллминг. Роберт Джоуминг – уже покойный, был прекрасный американский астрофизик. На левой картинке показан взрыв в микроквазаре V4641, это звезда Горанского. Наш астроном, Виталий Горанский, ее открыл. Объект взорвался, через несколько часов выброшенная струя – мы видим ее как вытянутую структуру – пролетела три орбиты Плутона со скоростью около скорости света. И еще через полчаса уже видно, как начинает слабеть ядро, то есть релятивистские электроны высвечивают свою энергию, и на следующей день почти все уже ослабло. Это струи микроквазаров.

В.С. Это явление связано как раз со сверхкритической аккрецией. Дело в том, что если слишком много вещества падает на черную дыру и слишком много энергии вырабатывается, возникает такой эффект, что сила давления излучения на вещество начинает превосходить силу притяжения. Обычно вещество – это водород, протон и электрон. Протон притягивается к черной дыре, а на электрон действует сила давления света, и они борются друг с другом, кто сильнее. И есть некий критический темп выработки энергии, а здесь он определяется темпом падения вещества, темпом аккреции, при котором сила давления света начинает превышать силу притяжения на протон, и избыточное вещество начинает просто выбрасываться. И при этом осуществляется самый высокий и эффективный темп энерговыделения. Скорее всего, этот микроквазар, эта вспышка и была именно сверхкритической. Наши астрофизики…

С.Ф. Ревнивцев, Гильфанов и Сюняев.

В.С. …Установили, что это сверхкритический режим.

С.Ф. Это называется «сверхкритический транзиент».

А.Г. А можно предсказать следующую вспышку, связанную со сверхкритическим транзиентом?

В.С. К сожалению, мы не знаем механизмов, которые запускают эту вспышку в этих микроквазарах, но сейчас активно идет работа в этом направлении.

С.Ф. Предсказывают, но неудачно.

А.Г. То есть, пока наблюдательные данные не говорят о том, что это явление может повторяться с определенной периодичностью?

В.С. Есть часть транзиентов, в которых черная дыра находится на вытянутой элиптической орбите …

А.Г. Проходя, она забирает новую порцию вещества…

В.С. Да, да, там легко можно предсказать, там периодически все повторяется.

С.Ф. Это идея сверхкритической аккреции, о которой Валера начал рассказывать. Надо сказать, что сначала была статья наших астрофизиков Н.И.Шакуры и Р.А.Сюняева, это, конечно, гениальная статья, хоть и 1973-го года. Начиная с этого момента, астрофизикам стало ясно, как рассматривать аккреционные диски, стало понятно, как двигаться. Там у них был параграф «Сверхкритическая аккреция», и там они рассказали, что это примерно такое. Валера уже говорил: вещества поставляется (темп аккреции) очень много, а нормальная звезда, как говорят, она как бы не знает о проблемах со сверхкритической аккерцией у звезды-соседки; она может выдать в десять раз больше, в тысячу раз больше, а потом вдруг замолчать. В этом плане трудно предсказать вспышку. Если темп аккреции, то есть темп поступления газа в диск, становится выше, чем критический, тогда диск раздувается, вспухает, возникает мощнейший ветер, и внутри этого ветра поглощается все рентгеновское излучение. Такой объект может вспыхнуть даже в оптике.