Ученые ИКИ РАН предложили объяснение образованию гигантской туманности W50

Возможный механизм формирования гигантской, размером в десятки парсек туманности W50 с одним из известнейших рентгеновских объектов нашей Галактики — микроквазаром SS433, объяснила новая модель, предложенная астрофизиками Института космических исследований (ИКИ) РАН и Физико-технического института (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе, 23 сентября сообщает пресс-служба ИКИ РАН.

Науке известны миллионы рентгеновских источников в небе, а названия нескольких десятков из них знакомы почти всем астрономам и астрофизикам. Один из них — микроквазар SS433, находится в нашей Галактике. Он уникален во всех диапазонах электромагнитного спектра от радиоволн до фотонов сверхвысоких энергий.

SS433 представляет собой черную дыру в массивной двойной системе, при этом темп аккреции (захвата вещества) от звезды-компаньона на эту черную дыру в сотни раз превышает предел Эддингтона.

Пределом Эддингтона называется значение мощности электромагнитного излучения из недр звезды, при котором вес ее оболочек, окружающих зону термоядерных реакций, еще компенсирует давление излучения, и звезда находится в состоянии равновесия, не сжимаясь и не расширяясь. Превышение предела Эддингтона приводит к тому, что звезда начинает испускать сильный звездный ветер.

Для SS433 такой темп аккреции означает, что давление излучения настолько велико, что может отбрасывать вещество, создавая мощный «ветер» аккреционного диска, то есть черная дыра не только «забирает» вещество звезды-компаньона, но и «разбрасывает» его.

Своей моделью ученые из отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН и их коллеги из ФТИ им. А. Ф. Иоффе пытаются объяснить, как этот ветер, воздействуя на окружающую межзвездную среду, может формировать гигантскую размером в десятки парсек радиотуманность W50, окружающую SS433.

Результаты работы они представили в статье «Минималистская модель удлиненной рентгеновской струи W50/SS433: анизотропный ветер с реколлимационными ударными волнами», опубликованной в журнале Astronomy&Astrophysics.

Еще в конце 70-х годов прошлого века астрономы узнали, что микроквазар SS433 выбрасывает узкие струи вещества, скорость которых равна приблизительно четвертой части скорости света, а их направление меняется во времени строго периодически, подобно прецессирующему (то есть меняющему направление оси вращения) волчку.

С момента открытия SS433 его исследованию посвящено несколько тысяч работ, однако общепринятых ответов на вопросы о структуре сверхэддингтоновского потока вещества на черную дыру и причине возникновения узких струй до сих пор нет, как нет ответа на вопрос о том, как образовалась вокруг нее радиотуманность W50. За форму, напоминающую упитанного «водного животного», эта туманность получила название «Туманность ламантина».

Если в настоящее время принято считать, что квазисферическую часть туманности («туловище ламантина») создала разлетающаяся оболочка сверхновой, то у причины возникновения ее вытянутых концов — «головы» и «хвоста», пока нет общепринятой модели.

Достаточно часто выдвигаются предположения, что в их формировании определенную роль играют те самые узкие прецессирующие субрелятивистские струи вещества, но не обнаружены следы их торможения и интенсивного взаимодействия с окружающей средой.

Астрофизики ИКИ РАН и ФТИ им. Иоффе в своей статье предложили другую модель. Гигантский темп аккреции на черную дыру создает такое большое давление излучения, что большая часть вещества должна выбрасываться в виде мощного звездного ветра со скоростью в тысячи и десятки тысяч километров в секунду.

Известные и хорошо видимые джеты — очень узкие струи, а звездный ветер формируется намного более широкими потоками, переносящими такую же или большую энергию, чем узкие струи, — вот ключевой момент новой модели.

В своей работе ученые выдвинули предположение, что этот ветер анизотропен — не одинаков в разных направлениях, и туманность W50 создана именно таким ветром, тогда как узкие субрелятивистские струи на формирование туманности большого влияния не оказывают.

Анизотропность ветра в новой модели выражается в том, что плотность потока его кинетической энергии выше в направлении, перпендикулярном плоскости аккреционного диска, а в других направлениях почти одинакова. Отсюда и вытянутая форма туманности — там, где мощность ветра выше, туманность ýже.

В этом случае есть объяснение загадочным структурам внутри туманности, наблюдаемым на высоких энергиях, начиная от кило- и заканчивая тераэлектронвольтами. Вероятно, их возникновение связано со взаимодействием потоков/струй в самом анизотропном ветре. Кроме того, магнитогидродинамическая структура анизотропного ветра говорит о возможности эффективного ускорения релятивистских протонов космических лучей с петаэлектронвольтными энергиями.

Взаимодействие струй вещества (джетов) с окружающей средой хорошо изучено. В космосе такие струи возникают вблизи сверхмассивных черных дыр и черных дыр со звездными массами. При снижении плотности вещества в струях до состояния много меньшего плотности окружающего газа возникают ударные волны. Они, фокусируя эти струи, могут помочь им распространяться на большие расстояния.

Для SS433 изотропная часть ветра играет для более коллимированной части ветра роль «окружающей среды». Фокусируя и разогревая осевую часть ветра, она остается невидимой для наблюдателя. Поэтому яркая в рентгеновском и гамма-диапазоне структура возникает на большом расстоянии от компактного источника как бы «из ниоткуда».

Экстраполируя эту модель на другие источники с очень быстрой аккрецией на компактный объект, можно предположить, что и там могут возникать условия для эффективного ускорения частиц в анизотропном ветре. В этом случае заметная доля выделяемой аккреционной энергии превращается в космические лучи, другая же сохраняется в горячем многофазном коконе внутри туманности.

На этом этапе жизни источника энерговыделение оказывается больше, чем энергия, выделившаяся при взрыве «родительской» сверхновой.

Возможно, похожая ситуация была на заре Вселенной у быстрорастущих массивных черных дыр; в эпоху «Космического Полудня», когда Вселенной было всего 2–3 миллиарда лет, — у галактик с экстремальной активностью ядра и темпом звездообразования, а в современных галактиках — у наиболее экстремальных ультраярких рентгеновских источников.