Рентгеновская астрономия в наши дни

Остаток сверхновой Кассиопея А. Снимок IXPE
Остаток сверхновой Кассиопея А. Снимок IXPE
Юрий Поутанен. Фото Hanna Oksanen
Юрий Поутанен. Фото Hanna Oksanen
Борис Штерн
Борис Штерн

Беседу с Юрием Поутаненом, профессором Университета Турку (Финляндия) и зав. лабораторией фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики в ИКИ РАН, созданной по мегагранту, ведет Борис Штерн, который за двадцать с лишним лет сотрудничества с ним имеет множество написанных совместно статей.

— Какие объекты в космосе светят рентгеном?

— Рентгеном светит почти всё.

— Ну как всё? Солнце очень мало светит в рентгене.

— Да, мало. Светимость Солнца в рентгене на пять порядков ниже светимости в оптике. В 1950-х это было одной из причин скепсиса по поводу запуска рентгеновских детекторов на ракетах: если Солнце и другие звезды почти ничего не светят в рентгене, то эти детекторы ничего не увидят. Слава богу, Риккардо Джаккони не поверил в это и запустил в 1962 году ракету, которая открыла первый рентгеновский источник Скорпион Х-1. Впоследствии оказалось, что есть объекты, которые в рентгене светят на пять порядков ярче, чем в оптике. Теперь у нас есть чувствительные инструменты, например космический телескоп «Чандра», который видит рентгеновское излучение от других звезд, подобных Солнцу.

— Откуда берется рентген, какой физический процесс отвечает за его излучение?

— Зависит от источника. Если мы посмотрим на Солнце, то это тормозное излучение электронов в короне — при вспышках, за счет пересоединения магнитных силовых линий, когда ускоряются частицы. Если мы будем смотреть на другие объекты, самые многочисленные из которых в нашей галактике — белые карлики в двойных системах, то там рентгеновское излучение тепловое, точнее тормозное.

— Здесь надо уточнить. Обычно, когда говорят о тепловом излучении, имеют в виду равновесное излучение, т. е. приблизительно чернотельное.

— Да, в этом случае излучение не чернотельное, это тормозное излучение частиц в ударной волне, когда газ падает на поверхность белого карлика. Самые многочисленные объекты — белые карлики с магнитным полем не очень сильным, но достаточным для того, чтобы сфокусировать поток газа на магнитные полюса. А если магнитное поле сильное, то кроме тормозного излучения возникает циклотронное.

— Добавлю: циклотронное излучение — это излучение электрона, вращающегося поперек силовых линий в магнитном поле. Частота излучения равна частоте обращения электрона и не зависит от его энергии, пока электрон не релятивистский. Она зависит только от величины поля. А есть еще синхротронное излучение.

— Да, если возьмем компактные объекты — нейтронные звезды или черные дыры, — либо возьмем остатки взрывов сверхновых, где распространяются ударные волны, то они все тоже светят в рентгене.

Мы пока не выходим за пределы нашей галактики. Начнем, например, с нейтронных звезд. Их очень много разных типов, возьмем самые скучные.

Крабовидная туманность. Снимок космического телескопа «Чандра»
Крабовидная туманность. Снимок космического телескопа «Чандра»
Крабовидная туманность

— Нет, давай возьмем самые интересные. Краб!

— Что ж, можно начать с самых интересных. Это пульсары, просто нейтронные звезды, часто одиночные, с достаточно сильным магнитным полем, не очень старые, достаточно быстро вращающиеся. У них вдоль магнитных силовых линий летят частицы — релятивистский пульсарный ветер, — они излучают либо синхротроном, либо излучением кривизны, за счет изогнутых силовых линий. Пульсарный ветер летит в окружающую среду, где формирует ударные волны, на которых тоже ускоряются частицы. Вокруг пульсара возникает туманность, которая по-английски называется pulsar wind nebula — туманность, образованная пульсарным ветром. Они очень интересные, есть Краб…

— Да, и его великолепные снимки «Чандры» — рентгеновские!

— И если посмотреть на эти красивые картинки, то там видна туманность — остаток вспышки сверхновой 1054 года. Там в оптике видны всякие линии, в частности кислорода, а вблизи пульсара «Чандра» видит структуру, образованную ветром. Там даже джет есть! Рентгеновское излучение от Крабовидной туманности сильно поляризовано, это означает, что у приходящих оттуда электромагнитных волн есть выделенное направление осцилляций. Степень поляризации — 19%.

— Это линейная поляризация из-за вращения электронов поперек магнитных силовых линий?

— Да, возникает линейная поляризация поперек магнитного поля. Поляризация 19% означает, что в области, откуда исходит излучение, магнитное поле достаточно хорошо ориентировано. Теоретический максимум — около 75%, когда есть однородное параллельное магнитное поле, 19% — это немало.

— Давай уточним. Там есть разные компоненты — есть джет, и есть тороидальное магнитное поле. Поляризация в основном из-за тороидального или из-за джета?

— Этого мы не знаем. Угол поляризации, по-моему, вдоль джета. Хотя точно не помню.

— Если вдоль джета, наверное, это все-таки тороидальная компонента. Или она усредняется.

— Не совсем усредняется. Это зависит от того, под каким углом мы на нее смотрим. Если плашмя — поляризация будет нулевой, если сбоку — максимальной. Но это уже детали.

Кроме пульсаров, которые сами по себе интересны, есть разные объекты, которые мы наблюдаем с помощью IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), в котором наша группа играет активную роль. Сейчас наблюдаем разные компактные объекты именно в поляризованном рентгене. Это стало возможным впервые за последние сорок лет — предыдущая обсерватория была OSO-8 (Orbital Solar Observatory). Нынешний поляриметр в сто раз чувствительней. То есть теперь мы может изучать те же объекты гораздо лучше.

— То есть то, что вы делаете, — это фактически «щупаете» геометрию магнитного поля в объектах?

— Геометрию магнитного поля, геометрию объектов.

— Вы можете разрешить поляриметром часть объекта, например часть Крабовидной туманности? Наблюдать не всю, а часть?

— Да, благодаря тому, что зеркала в IXPE имеют достаточно хорошее угловое разрешение — порядка 30 угловых секунд, — это возможно. Мы не можем сделать такие же красивые картинки, как «Чандра», поскольку разрешение в десятки раз хуже, но отдельные части можем померить.

— Какие у вас энергии?

— От 2 до 8 кэВ.

— А у «Чандры» меньше энергия?

— Меньше, но до 6 кэВ дотягивает, т. е. диапазоны перекрываются.

— Как понимаю, чем меньше энергия, тем лучше разрешение получается, поскольку тем больше возможный угол отражения.

— В основном, разрешение определяется качеством зеркал, т. е. суммой, которую вы готовы заплатить. «Чандра» стоила миллиард в деньгах двадцатилетней давности, а IXPE всё-про-всё стоит 180 млн долл.

— Раз заговорили про методику. Большие энергии, скажем, сотни кэВ, отражать зеркалами уже невозможно. Там приходится прибегать ко всяким ухищрениям типа поглощающих кодируемых масок. Где та граница, когда еще можно использовать зеркала?

— Существует телескоп NASA Nustar, запущенный в 2012 году, где стоят зеркала со специальным покрытием, которые работают до 70 кэВ. Это нынешний рекорд. У них тоже хорошее разрешение — десятки угловых секунд. А выше приходится использовать ухищрения — разные маски, которые по тени позволяют определить положение источника. Приходится решать сложную математическую задачу по построению карты.

— Пока мы не вышли за пределы Галактики. Есть странные объекты — большие дуги на небе, которые светят, в том числе в рентгене.

— Есть разные дуги. Как мы говорили, есть остатки сверхновых — там есть ударные волны, ускорение частиц, которые светят синхротроном (большие дуги получаются от близких остатков сверхновых. — Б. Ш.). Недавно IXPE наблюдал остаток сверхновой Кассиопея А, статья послана в журнал и лежит в arXiv.org. Там поляризация оказалась маленькой. Есть статья про плерион (т.е. туманность вокруг пульсара) в созвездии Парусов, она не лежит в arXiv.org, поэтому я не могу комментировать.

— Она такая же, как Краб, как я понимаю.

— Поляризация оказалась даже выше. Статья послана в Nature, но пока нет отзыва рефери я не могу давать конкретных цифр.

— А вот эти здоровенные дуги в полнеба?

— Это остатки взрывов сверхновых. Или, если центр Галактики был активен сотни тысяч лет назад, то выдуваются пузыри, заполненные частицами больших энергий, которые затем всплывают под действием силы Архимеда, расширяются, поднимаются над плоскостью Галактики. Такие пузыри были открыты гамма-телескопом «Ферми», они же видны на карте неба в микроволновом излучении построенной обсерваторией «Планк», и самое последнее — они видны на карте немецкого телескопа eROSITA на борту российской обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ).

Небо телескопа eROSITA (J. Sanders et al.)
Небо телескопа eROSITA (J. Sanders et al.)

— Видимо, это те же самые пузыри Ферми, только расползшиеся с учетом того, что eROSITA видит их на гораздо более низких энергиях.

— Да, они пошире, но геометрия та же самая. Это была непростая задача — увидеть их в данных, — поскольку пузыри слабые, и они прячутся на фоне огромного количества более ярких источников и структур.

Черные дыры

— Теперь про черные дыры.

— Начнем с черных дыр в нашей галактике. Это остатки очень массивных звезд — больше 20–30 масс Солнца. Самая известная из них — Лебедь Х-1. Она находится в паре со звездой-сверхгигантом, которая почти заполняет свою полость Роша, т. е. газ почти свободно перетекает на черную дыру (фокусируемый ветер). При приближении к черной дыре газ образует аккреционный диск и нагревается нагревается до десятка миллиона градусов, поэтому светит в рентгене. Но иногда этот и подобные ему объекты переходят из одного состояния в другое, из «мягкого» в «жесткое» и обратно. В жестком состоянии температура — миллиард градусов.

— Но это не тепловое равновесие, важно подчеркнуть.

— Да, не тепловое равновесие — оптически тонкая плазма. Здесь как раз работает комптоновское рассеяние на очень горячих электронах. Фотоны из аккреционного диска многократно рассеиваются на горячих электронах, получается спектр, простирающийся до сотен килоэлектронвольт (кэВ). В мягком состоянии максимум потока энергии идет на кэВ’е.

Есть рентгеновские источники более-менее постоянные. К ним относятся наиболее известные Лебедь Х-1, Лебедь Х-3. Кроме того, есть очень много транзиентных источников, они бóльшую часть времени не видны, но иногда вспыхивают. В них аккреция может идти всё время, вещество скапливается в диске и не падает на черную дыру, но потом оно начинает аккрецировать, нагревается, и возникает вспышка. При этом светимость может возрастать на шесть порядков. Когда источник слабый, то его еле-еле видит «Чандра», а при вспышке он виден любым детектором рентгеновского излучения, который летает в космосе.

— Кстати, Лебедь Х-1 тоже вспыхивает, но не так сильно — на порядок. Это то, что мы нашли!

— Да, мы нашли, уже лет двадцать назад, и написали статью, что иногда Лебедь Х-1 повышает свою светимость в десять раз. Но это редкие события.

— Да, наверное, какие-то взбрыки, связанные с аккрецией.

— Действительно, никто не понимает, откуда они берутся, и мы не понимали, когда писали статью. А транзиенты, действительно, очень интересны. У них светимость меняется на много порядков. Во время активной фазы, которая длится несколько месяцев, они могут переходить из одного состояния в другое — меняются спектры, меняются все свойства. Мы сейчас со своим рентгеновским поляриметром ждем, когда такое событие произойдет, чтобы пронаблюдать объект в разных состояниях. Но пока такое событие не произошло — спутник летает полгода, нам пока не повезло. Но всё впереди, за плановый срок — три года — событие должно произойти.

— Подытожим по поводу излучения аккрецирующих черных дыр. Там, как я понимаю, две компоненты — квазитепловая, т. е. комптон на электронах, которые имеют распределение, близкое к максвелловскому, плюс нетепловой хвост, связанный с ускорением частиц.

— Там, по сути, три компоненты. Есть еще тепловое излучение аккреционного диска, он достаточно плотный, оптически толстый и излучает примерно как черное тело на килоэлектронвольте.

— Это как раз редкий случай, когда мы видим черное тело, излучающее в рентгене.

— Я забыл про еще один интересный объект, который почти постоянен, его кодовое название GRS1915 — это означает Granat Source, он был открыт российской обсерваторией «Гранат». Объект вспыхнул в 1992 году, он породил новое направление: микроквазары. В них наблюдаются релятивистские джеты, такие же, как в квазарах, хотя они массой в миллион или даже в миллиард раз меньше.

— Лебедь Х-1 тоже имеет какой-то джет, наверное, хиленький.

— Да, в жестком состоянии показывается некий джет, но его скорость непонятна, там нет таких выбросов, по которым можно померить скорость движения. Какое-то слабо релятивистское течение.

— Как ведет себя в рентгене знаменитая черная дыра в центре Галактики, Стрелец А*?

— Есть такая черная дыра!

— Есть даже картинка!

— Да, появилась картинка. До этого ее наблюдали десятки лет. В рентгене там мало чего видно — переменный источник, иногда 1033 эрг/с, иногда 1035.

— То есть время от времени туда что-то падает.

— Да, есть аккреция, очень слабая. Достаточно сказать, что эддингтоновский предел светимости для такой массы — порядка 1045 эрг/с, а здесь светимость на 10–12 порядков меньше.

— Собственно, это светимость Солнца, 1033 эрг/с.

— Да, правда, бывает и в сто раз больше. Согласно одному из предположений, которое разрабатывалось в ИКИ Рашидом Сюняевым и Евгением Чуразовым, центр нашей галактики сотни лет назад был активен, и рентгеновское излучение было гораздо сильней, чем сейчас. Это излучение до сих пор можно наблюдать в виде эха, отраженного от молекулярных облаков, которые находятся как раз в сотнях световых лет от центрального источника. И сейчас это будет проверяться. Чем это предположение обосновано? Если мы смотрим на молекулярные облака в центре Галактики, то видно, что по нему бегут тени — то ярче, то слабее, как будто через них проходят волны рентгеновского излучения, и картинка постоянно меняется. Если посмотреть на изображения «Чандры» сейчас и двадцать лет назад, то вид будет совершенно разным — тогда одно облако было ярким, теперь другое. При этом сами облака не светят.

Эффект отражения, оказывается, можно проверить, а проверять будет как раз обсерватория IXPE: отраженный сигнал должен быть сильно поляризован — если фотоны летели сначала в одном направлении, а потом полетели к нам, то вектор поляризации перпендикулярен плоскости отражения. Это очень сложно померить, нужно миллионы секунд пронаблюдать, уже полмиллиона затрачено, сигнал пока слабый, но есть надежда, что мы что-то получим. Как раз Евгений Чуразов этим занимается.

— Чтобы покончить с Галактикой: видны ли в рентгене какие-нибудь изолированные нейтронные звезды?

— Есть. Это те самые скучные, о которых я сказал. Если нейтронная звезда одиночная, если у нее слабое магнитное поле, то там нет никакой нетепловой активности, но сами по себе они теплые, порядка долей килоэлектронвольта, и их тепловое излучение дотягивает до рентгена. Их видит «Чандра», и можно даже посмотреть, как они остывают. Самый известный из таких объектов — остаток сверхновой Кассиопея А, где в центре сидит как раз такая одинокая нейтронная звезда. Утверждается, что можно отслеживать, как она охлаждается и тем самым определять ее структуру. Можно вытащить много физики, если иметь хорошие данные.

За пределами нашей галактики

— Теперь идем за Галактику.

— Самые интересные объекты для меня — это сверхмассивные черные дыры. В центре почти каждой галактики находится очень массивная черная дыра — миллионы, а иногда и десятки миллиардов масс Солнца. Некоторые из них скучные — на них ничего не падает, — некоторые, на которые падает много вещества, очень интересные: там образуются аккреционные диски, джеты, вылетающие со скоростями, близкими к скорости света. Они светят от радио до гамма-диапазона. Самые известные из них — это блазары, чьи джеты направлены прямо на нас. Это фантастика! Они видны в рентгене и гамма до красных смещений порядка четырех.

Кроме сверхмассивных черных дыр, среди интересных рентгеновских объектов я бы назвал скопления галактик. Они не меняются, и в этом смысле скучные, но это самые массивные рентгеновские источники во Вселенной. Скопления заполнены теплым газом с температурой около 10 кэВ, это сотни миллионов градусов.

Скопление галактик Coma. Наложение оптического и рентгеновского снимков. ESA/XMM-Newton/SDSS/J. Sanders et al. 2019
Скопление галактик Coma. Наложение оптического и рентгеновского снимков. ESA/XMM-Newton/SDSS/J. Sanders et al. 2019

— Пару слов про физику. Блазары — это синхротрон плюс обратный комптон: электрон высокой энергии толкает фотон, переводя его в рентгеновский или гамма-диапазон. А в скоплениях галактик?

— В скоплениях тормозное излучение. Там тепловая плазма с температурой порядка вириальной.

— Поясню: вириальная температура — это скорости порядка орбитальной вокруг тела такой массы при размерах орбиты порядка размеров скопления.

— Да, т. е. если скорости галактик порядка тысячи километров в секунду, то и у атомов такие же характерные скорости, что соответствует температуре порядка 10 кэВ. Значит, всё скопление будет светить в рентгеновском диапазоне. В видимой Вселенной таких скоплений — порядка сотен тысяч; как раз одна из задач обсерватории СРГ — определить их положение. Телескоп eROSITA заточен как раз на это, что имеет прямое отношение к космологии.

— Как из них сделать космологию? Из одних рентгеновских данных никакой космологии не получишь. Надо еще измерить обычными большими телескопами красное смещение каждого из них, определить, как далеко оно находится, и тогда уже можно строить распределение Хаббла. Отсюда может получиться дополнительная точка опоры для космологии. Насколько я слышал, это уже пытались делать больше десяти лет назад.

— Насколько я помню, докторская диссертация другого сотрудника ИКИ Алексея Вихлинина, который сейчас работает с другой рентгеновской обсерваторией, LYNX, посвящена примерно этому. Там использовались данные рентгеновской обсерватории ROSAT. Здесь чувствительность другого порядка.

Вот эти два типа внегалактических объектов, по-моему, наиболее интересны. Наверняка есть и другие интересные, но эти самые яркие.

— Мое впечатление по поводу астрофизики высоких энергий. Инструменты развиваются, но всё равно остается впечатление стагнации. Данных много, понимания мало.

— Нужно понимать, что всей рентгеновской астрономии лишь 60 лет. Как раз в этом году можно отмечать: в 1962 году был открыт Скорпион Х-1.

— Но точная космология еще моложе.

— Ну, все-таки Хаббл открыл разбегание галактик почти сто лет назад, так что она старше. Все-таки прогресс в рентгеновской астрономии большой.

— Прогресс в данных налицо, прогресс в понимании — ну, есть какой-то…

— Новые источники, новые явления…

— Как запускаются джеты?

— Есть очень хорошие симуляции на эту тему.

— Джеты запускаются диском или черной дырой?

— Я думаю, что и тем, и другим.

— То есть ответы какие-то появляются, но пробиться можно только суровой симуляцией.

— Но по крайней мере в данных прогресс большой. Например, Rossi X-Ray Timing Explorer, у этой обсерватории площадь рентгеновского детектора около 6 тыс. см2, она регистрировала всякие удивительные эффекты вокруг черных дыр и нейтронных звезд, в частности, килогерцовые квазипериодические осцилляции. Может быть, мы до сих пор их плохо понимаем, хотя у нас есть модели на эту тему. Но это удивительные данные, которые говорят о динамике газа около компактного объекта. Тысяча герц!

— Тысяча герц — это порядка частоты орбитального вращения?

— Да, это орбитальный период на близкой орбите вокруг нейтронной звезды. В том же Скорпионе Х-1 наблюдаются такие осцилляции. Всё равно мы мало их понимаем, хотя написали пару статей на эту тему.

— Ускорение частиц в джетах — то, над чем мы, кстати, бились в свое время, — там есть какой-нибудь прогресс в понимании?

— В понимании — до сих пор нет. Люди по-прежнему обсуждают внутренние ударные волны, пересоединение магнитных силовых линий.

— Это всё и тогда было.

— И тогда было. Появились более подробные симуляции, но до сих пор нет ответа, какой механизм является основным для излучения блазаров. Сейчас делаются всякие симуляции неоднородных ударных волн, как раз Александра Веледина из нашей лаборатории в ИКИ занимается этим. Есть очень много идей, но, по-моему, ответа до сих пор нет. Может быть, данных не хватает.

— А тут даже непонятно, какие данные могли бы что-то прояснить. Спектры хорошо промерены, временная переменность — тоже. Мне кажется, это как погода: данных полно, а промоделировать сложно, поскольку сама система сложная и большая. Сложнопредсказуемая и неустойчивая магнитогидродинамическая система. Когда я говорил про стагнацию, я имел в виду именно это — что здесь объективно очень трудно пробиться. Здесь нет чистых процессов.

— Да, астрофизика в этом смысле сложная. Есть чистые объекты, например когда по системе двух пульсаров можно изучать эффекты общей теории относительности с точностью до процента. Это как чистая физическая лаборатория. А в основном астрофизические объекты «грязные». Очень много разных взаимодействий и процессов, из-за чего очень сложно вытащить что-то.

— Пожалуй, мы наговорили достаточно, пора переходить к заключению.

— Что добавить в заключение? Рентгеновская астрономия продолжает развиваться. Запущены новые спутники — фантастически точные инструменты, среди них IXPE и СРГ, о которых мы говорили. Ожидается колоссальный объем новых данных — петабайты, которые надо обработать и осмыслить. Требуются не только финансовые, но и человеческие вложения, чтобы были люди, которые всё это обрабатывают, нужны теоретики, которые поспевали бы за потоком данных с их осмыслением. Будем надеяться, что прогресс будет продолжаться.

Видеоверсию беседы можно посмотреть на странице ТрВ-Наука в YouTube:
youtu.be/watch?v=d5GENJWIfWE

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:
Подписаться
Уведомление о
guest

3 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Дмитрий
Дмитрий
1 месяц назад

Удивительно, что астрономы измеряют излучение галактик в эргах в секунду. Даже не в ТерраДжоулях. Это все равно, что вес останкинской башни измерять в массах вируса Ковид 19. Поразительная глупость.
Удивляет разбросанность астрофизиков. Вместо того, чтобы всем вместе изучать два объекта или два непонятных явления, они получают петабайты данных и не могут понять, что же они получили. Потом эти данные потеряются или станут недоступными. Затем снова нужно будет повторять работу по получению данных? Почему нельзя обработку новых данных проводить одновремено с их получением? Пусть даже приблизительно.

Последняя редакция 1 месяц назад от Дмитрий
Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
1 месяц назад

Любопытно, — если взглянуть на галактику как на квазичастицу мутной метагалактики, то в форме конструкции из двух «пузырей» нетрудно увидеть индикатрису светорассеяния.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
1 месяц назад

По виду индикатрисы, рассеяние релеевское, и если рассеиватель — ядро галактики размером, скажем, ~10 пк, — тогда длина волны рассеиваемого излучения будет ~100 пк.
Получается, рентгеновское свечение «пузырей» делает для нас видимой индикатрису неизвестного излучения.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,25 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: