Рентгеновская панорама туманности W50 «Ламантин» телескопом СРГ/еРОЗИТА

Редкие или необычные астрофизические объекты из-за их экстремальных свойств позволяют проверить пределы теоретических моделей. Источник рентгеновского излучения SS 433 (название относит объект к каталогу Сандьюлика и Стивенсона) в нашей Галактике, несомненно, относится к этой категории. Первоначально идентифицированный в видимом диапазоне как источник излучения в линии Hα, позже он был ассоциирован с черной дырой звёздной массы в двойной системе.

С тех пор SS 433, излучающий в радио- и рентгеновском диапазонах, стал объектом исследований почти всех космических и наземных обсерваторий, что привело к множеству открытий.

В отличие от SS 433, окружающая её огромная туманность W50, видимая в радиодиапазоне, занимающая на небе более двух градусов, менее яркая и ее сложнее изучать. Полное радиоизображение принесло W50 прозвище «Туманность Ламантин» (Manatee Nebula) за её форму, напоминающую это животное (или менее экзотический круассан).

Эта же туманность видна и в рентгеновском диапазоне, но до недавнего времени её рентгеновские карты в основном или представляли собой фрагменты, полученные разными обсерваториями, или не имели хорошего пространственного или энергетического разрешения. Таким образом, изучать её было очень сложно.

Этот недостаток наконец-то преодолен благодаря недавно опубликованной карте туманности W50, полученной с помощью телескопа еРОЗИТА на борту обсерватории «Спектр-РГ» в нескольких рентгеновских цветах, которая демонстрирует замечательное сочетание различных процессов внутри туманности.

Компактный источник SS 433 (чёрная дыра звёздной массы) аккрецирует вещество от звезды-компаньона с поразительно высоким темпом — в тысячи раз превышающим то количество, которое черная дыра может успеть «поглотить». Этот предельный темп (известный как критический темп аккреции Эддингтона) возникает из-за давления от излучения падающего газа. Такая конфигурация оказывает непосредственное влияние на свойства и самого компактного источника, и его окружения в гораздо больших масштабах.

Ключевое предсказание теории аккреции заключается в том, что б´ольшая часть газа, поступающего в черную дыру, не попадёт в неё, а будет выброшена из системы. При этом в окружающую среду будет передано большое количество энергии. Такие объекты, и в их числе SS 433, называются сверхэддингтоновскими. Они представляют очень большой интерес как для развития теории аккреции в сверхкритическом режиме, так и для понимания того влияния, которое подобные объекты оказывают на межзвёздную среду в родительских галактиках, а если мы говорим о сверхмассивных чёрных дырах — то на межгалактическую.

Чтобы проверить следствия этой теории, необходима полная картина процессов, происходящих и в самом центральном объекте, и в его окружении.

Как уже было сказано, картографирование такой большой туманности как W50 в рентгеновском диапазоне всегда было проблематичным из-за ограниченного поля зрения космических телескопов. Кроме того, в направлении W50, расположенной всего в двух градусах от плоскости Галактики, наблюдается сильное и неоднородное поглощение газом и пылью.

Эти проблемы можно решить, используя телескоп с большим полем зрения и высокой чувствительностью к диффузному излучению — именно такими характеристиками обладает телескоп еРОЗИТА.

На рисунке показана полная рентгеновская карта туманности W50. Центральное яркое пятно — это чёрная дыра, питающая всю туманность. Она кажется протяженной, потому что намного ярче излучения туманности, из-за чего центральная часть изображения становится насыщенной.

«Рентгеновские цвета» на этом рисунке «расположены» друг относительно друга так же, как и красный, зелёный и синий цвета в видимом свете. Красный соответствует рентгеновским фотонам с большей длиной волны, а зелёный и синий — с постепенно уменьшающейся. Примечательно, что этот простой подход сразу же выявляет природу рентгеновского излучения: красный и жёлтый цвета преобладают там, где присутствует тепловая плазма с температурой 2–10 миллионов градусов. Напротив, в более синих областях преобладает нетепловое излучение от релятивистских частиц.

Туманность явно асимметрична, что, скорее всего, обусловлено градиентом плотности окружающего её газа. Наиболее примечательной особенностью являются так называемые «протяженные рентгеновские потоки» (extended X-ray jets или EXJ), имеющие резкие внутренние края, расположенные примерно в 25 парсеках от центральной черной дыры SS4 33. В их спектрах отсутствуют эмиссионные линии, характерные для тепловой плазмы. Скорее всего, они обусловлены излучением релятивистских частиц, ускоренных ударными волнами, которые, в свою очередь, питают выбросы вещества SS 433. Эти структуры были недавно обнаружены на энергиях в диапазоне тераэлектронвольт (ТэВ); каждый такой фотон несет в миллиард раз больше энергии, чем фотон мягкого рентгеновского излучения.

1. невидимый «темный» поток энергии между черной дырой и EXJ, предположительно переносимый холодным ветром из двойной системы (на рисунке ему соответствует «темная область» между центральным источником и внутренней границей EXJ;
2. «нетепловой» поток энергии на расстояние около 30 пк в виде EXJ; и
3. тепловой поток (т.е., нагретая ударной волной межзвездная среда), который окружает протяженные рентгеновские потоки (на рисунке красно-розовая область).

«Последняя», тепловая часть рентгеновского излучения W50 может быть достаточно хорошо описана нагретой ударной волной плазмой, которая еще не достигла температурного и ионизационного равновесия. Такое излучение типично для остатков сверхновых (ОСН) среднего или старого возраста. Внешняя граница туманности в радиодиапазоне также напоминает ударные волны ОСН.

В отличие от этого, «протяженные рентгеновские потоки», которые столь хорошо «разглядел» телескоп СРГ/еРОЗИТА, являются наиболее примечательными особенностями этой системы на масштабах десятков парсеков. Их резкие внутренние края, вероятно, соответствуют экстремальным ударным волнам, которые ускоряют частицы и питают рентгеновское (синхротронное) и ТэВ-излучение, которое на 9–10 порядков более энергично.

Система W50/SS 433 наглядно демонстрирует важную роль, которую сверхэддингтоновские аккреторы могут играть в энергетике межзвездной среды в галактиках.