Пульсарные туманности и филаменты в центре Галактики

Сотрудники отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, используя данные мировых рентгеновских космических обсерваторий, нашли убедительное подтверждение тому, что так называемые «филаменты» в центре нашей Галактики становятся видимыми благодаря синхротронному излучению релятивистских электронов и позитронов, рождающихся вблизи пульсаров. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics и доступна в архиве электронных препринтов arXiv.org.

Центральная зона нашей Галактики богата самыми экстремальными и экзотическими объектами. Среди них есть так называемые «филаменты» — длинные и тонкие структуры, напоминающие волокна, часть из которых видна в радиодиапазоне, а часть в рентгеновских лучах. Предполагается, что видимыми их делает синхротронное излучение релятивистских электронов и позитронов, рождающихся вблизи пульсаров — вращающихся нейтронных звезд с сильными магнитными полями.

Недавние наблюдения центральной зоны нашей Галактики орбитальными рентгеновскими обсерваториями IXPE и Chandra (NASA) были нацелены на поиск поляризации и переменности излучения, отраженного плотным газом молекулярных облаков.

Карта радиоизлучения центральной зоны Галактики, полученная телескопом MeerKAT. Голубой прямоугольник — область, которая была подробно исследована рентгеновскими телескопами Chandra и IXPE (NASA). Группа ярких вертикальных линий/филаментов, проходящих через эту область, называется Аркой. Современные модели связывают такие структуры с движениями газа, формирующими топологию магнитного поля. Изображение: I. Heywood, SARAO. https://www.sarao.ac.za/media-releases/new-meerkat-radio-image-reveals-complex-heart-of-the-milky-way/

В этой области поле расположены и два весьма примечательных с точки зрения астрофизики объекта: Арка и пульсарная туманность G0.13-0.11.

Арка в центре Галактики (Galactic Center Radio Arc) — это совокупность гигантских филаментов, ярких в радиодиапазоне, открытая в 80-х годах прошлого века. Ее протяженность превышает 100 парсек (более 300 световых лет), а геометрия, вероятно, отражает структуру движений газа в этой области интенсивного звездообразования. Возможно, что играет роль и активность сверхмассивной черной дыры в центре Галактики.

Изображения этой зоны современными радиотелескопами показывают, что, кроме Арки, здесь есть многочисленные филаменты, ориентированные перпендикулярно диску Галактики.

G0.13-0.11 — это диффузная структура, открытая обсерваторией Chandra почти 25 лет назад. Считается, что в ее центре находится компактный источник — вращающаяся одиночная нейтронная звезда с сильным магнитным полем. Такая звезда создает «ветер» из ультрарелятивистских частиц, которые надувают «пузырь» в межзвездной среде, формируя туманность. Самый известный пример — Крабовидная туманность.

Для нейтронных звезд, двигающихся в окружающей среде со сверхзвуковыми скоростями, туманности по форме могут напоминать гелиосферу или магнитосферу Земли. Какая-то доля ультрарелятивистских частиц может убегать из туманности в межзвездную среду.

Совместные измерения обсерваторий IXPE и Chandra показали, что диффузное рентгеновское излучение вокруг пульсарной туманности G0.13-0.11 поляризовано. Степень поляризации оказалась очень высокой, а плоскость поляризации — ориентированной вдоль диска Галактики, что видно на втором рисунке.

Эти измерения служат прямым доказательством того, что наблюдаемое рентгеновское излучение имеет синхротронную природу. Такое излучение сопровождает движения с ускорением релятивистских электронов и позитронов в магнитном поле. При этом магнитное поле не должно быть слишком хаотичным, иначе степень поляризации будет низкой. А направление плоскости поляризации рентгеновских фотонов вдоль диска Галактики означает, что магнитное поле должно быть ориентировано перпендикулярно к нему – так же, как и у Арки.

При этом часть филаментов, образующих Арку, оказываются яркими и в рентгеновском диапазоне.

Эти наблюдения являются прямым подтверждением теоретических моделей, предполагающих, что релятивистские частицы, созданные в пульсарных туманностях, «убегают» из туманностей, попадают в крупномасштабные структуры магнитного поля и «подсвечивают» их. Времена жизни релятивистских электронов, излучающих в рентгеновском и радиодиапазонах, различаются на несколько порядков величины. В результате в рентгеновском излучении нам видна лишь ближайшая окрестность пульсарной туманности, а в радиодиапазоне становятся яркими гигантские структуры — такие как Арка.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics и доступна в архиве электронных препринтов arXiv.org.

Добавление от 30.10.2024. Статья E. Churazov, I. Khabibullin, A.Vikhlinin, R.Sunyaev, J. Poutanen, S. Tsygankov, et al., «Pulsar-wind-nebula-powered Galactic center X-ray filament G0.13-0.11: Proof of the synchrotron nature by IXPE» опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics, 686, A14 (2024). Она включена в цикл статей Н.С.Лысковой, Р.А.Сюняева, И.И. Хабибуллина, Е.М.Чуразова «Рентгеновское и радиоизлучение астрофизических источников с релятивистскими электронами», — который стал победителем в конкурсе научных работ ИКИ РАН 2023/2024 г. в номинации «Лучшая научная работа Института».

Тэги

рентгеновская астрофизика