Рентгеновский пульсар RX J0440.9+4431 впервые перешел в сверхкритический режим аккреции…

В начале 2023 года рентгеновский пульсар RX J0440.9+4431 неожиданно резко увеличил свою яркость — произошла гигантская вспышка излучения, на наблюдение и исследование которой переключились все действующие рентгеновские космические обсерватории.

Источник RX J0440.9+4431, отстоящий от Земли примерно на 2.4 килопарсека (для масштаба, центр Галактики отстоит от нас примерно на 8 кпк), относится к так называемым Be-транзиентам. Это означает, что речь идёт о двойной системе. Один из объектов в ней — массивная горячая звезда B-класса, вокруг которой из-за ее быстрого вращения может формироваться диск из оттекающего вещества. В этом веществе формируются эмиссионные линии, видимые в оптическом и инфракрасном диапазоне, поэтому в названии таких звезд и присутствует буква «е» (от английского emission). Ее компаньоном является нейтронная звезда с сильным магнитным полем — рентгеновский пульсар. Вещество «нормальной» звезды постепенно перетекает на нейтронную звезду (процесс падения называется аккрецией), при этом на ее поверхность оно выпадает вблизи магнитных полюсов, где и рождается рентгеновское излучение. Его видимые пульсации мы наблюдаем потому, что пульсар вращается и поток этого излучения периодически «чиркает» по нашей планете, подобно узконаправленному лучу прожектора.

В обычных условиях процесс перетока вещества происходит более или менее равномерно, и поток рентгеновского излучения остается примерно на одном уровне. Если вещества в оттекающем с обычной звезды диске не очень много, то и на поверхность нейтронной звезды его также падает немного. В этом случае реализуется так называемый режим субкритической аккреции, при котором рентгеновская светимость не очень высока (порядка нескольких единиц на 10³⁴ эрг/с). Но иногда, — по-видимому, вследствие эволюционных процессов обычной звезды, — количество вещества в оттекающем с нее диске резко увеличивается. Это приводит к тому, что и количество вещества, выпадающего на нейтронную звезду, возрастает, а вместе с этим возрастает и ее светимость. На Земле мы наблюдаем этот процесс как резкое повышение яркости объекта в рентгеновском диапазоне, т.е. вспышку.

В какой-то момент давление излучения становится настолько большим, что оно не даёт веществу с обычной звезды свободно падать на поверхность нейтронной звезды, формируется ударная волна, и над поверхностью нейтронной звезды, вблизи ее магнитных полюсов, начинает расти так называемая аккреционная колонка. Рентгеновский пульсар переходит в режим сверхкритической аккреции.

Оказывается, если правильным образом организовать наблюдения и проанализировать особенности спектра во время вспышек, то можно восстановить многие детали этого процесса. И это удалось сделать ученым ИКИ РАН совместно с коллегами из российских и зарубежных институтов и университетов.

Пульсар RX J0440.9+4431, известный с 1990-х годов, всегда считался относительно спокойным объектом с малой светимостью около 10³⁴ эрг/с. Но в 2010 году произошла серия вспышек, в которых его яркость увеличилась в сотни раз, что впервые позволило российским ученым исследовать его в этом состоянии. А в конце 2022 — самом начале 2023 года удалось наблюдать первую гигантскую вспышку от этого пульсара. В начале февраля 2023 года яркость объекта достигла 4.3·10³⁷ эрг/с, превысив предыдущие «рекорды» в десять раз.

Детальное исследование спектра и пульсаций этого объекта во время гигантской вспышки провела группа исследователей из ИКИ РАН, Санкт-Петербургского государственного университета вместе с коллегами из зарубежных организаций — университетов Турку (Финляндия), Тюбингена (Германия) и Оксфорда (Великобритания). В работе были использованы данные космических астрофизических обсерваторий Swift, NuSTAR, NICER (NASA) и ИНТЕГРАЛ (ESA), работающих в разных диапазонах рентгеновского спектра. Однако, именно данные обсерватории ИНТЕГРАЛ, вместе с данными обсерватории NuSTAR, были использованы исследователями для изучения физических свойств объекта в широком диапазоне энергий.

Из полученных графиков видно, что форма спектра существенно меняется при светимости примерно 2.8·10³⁷ эрг/с, что скорее всего соответствует переключению режима аккреции с докритического на сверхкритический. При этом также меняется профиль импульса: до перехода в нем можно выделить два пика, после — всего один.

Ученым впервые удалось зарегистрировать пульсирующее излучение от этого источника до столь высоких энергий — 120 кэВ. Кроме этого, в спектре пульсара обнаружилось ещё несколько важных особенностей, которые, в частности, заставляют предположить, что первоначальные оценки напряженности его магнитного поля были неверны.

Открытие имеет исключительную важность для понимания физики взаимодействия астрофизической плазмы с излучением и сильным магнитным полем. Измерение светимости перехода от докритического к сверхкритическому режиму аккреции является очень непростой задачей, а сделанное открытие прекрасно подтверждает теоретические предсказания, сделанные родоначальниками отечественной астрофизической школы около полувека назад.

Статья с результатами исследования направлена в журнал Monthly Notes of Royal Astronomical Society и опубликована в архиве электронных препринтов. Графики, построенные в ходе работы, стали «картинкой месяца» обсерватории ИНТЕГРАЛ.

Данная статья является первой в серии работ, посвященных изучению пульсара RX J0440.9+4431 во время этой необычно яркой вспышки, которые ведут российские исследователи. В ближайшее время ожидаются публикации по данным поляриметрической обсерватории IXPE, российского телескопа ART-XC им. М. Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» и др.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-12-00423.

«Интеграл» (INTEGRAL — INTErnational Gamma RAy Astrophysics Laboratory, «международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей») — международный астрофизический проект, который ведет Европейское космическое агентство. Российским вкладом в этот проект является запуск аппарата на орбиту с помощью носителя «Протон» с разгонным блоком ДМ с космодрома Байконур, который был успешно осуществлен 17 октября 2002 г., благодаря чему российские ученые получили право на 25% наблюдательного времени обсерватории. Эти данные доступны через Российский центр научных данных (РЦНД) обсерватории, организованный в ИКИ РАН. Научный руководитель от России — академик Р. А. Сюняев