«Спектр-РГ» и (возможное) открытиe гибели звезд вблизи двух сверхмассивных черных дыр. Почти детективная история

Через два дня американская система обнаружения оптических вспышек на небе Zwicky Transient Facility (ZTF) автоматически зарегистрировала уярчение той же галактики в красном свете более чем в два с половиной раза. На это событие тогда никто не обратил внимания ни в знаменитом Калифорнийском технологическом институте, где обрабатываются данные ZTF, ни где-либо в другом месте в мире.

Еще через месяц рентгеновский телескоп XRT на американском спутнике Swift имени Герелса наводясь на сверхновую в направлении, близком к интересующей нас галактике, также случайно обнаружил яркий рентгеновский источник в ее направлении сравнимой мощности, но с несколько иной формой спектра.

На этой стадии российские ученые, работающие с данными СРГ/еРОЗИТА, сообщили коллегам на российских обсерваториях и астрономам всего мира о том, что по совокупности своих свойств данный объект подобен наблюдавшимся до этого случаям разрыва нормальных звезд приливными силами со стороны сверхмассивной черной дыры в центре этой галактики.

Схема этого процесса, хорошо изученного астрофизиками-теоретиками, приведена на иллюстрации. На ней показано, как нормальная звезда, движущаяся по параболической орбите вокруг черной дыры, оказывается на достаточно малом расстоянии от нее. При этом приливные силы (подобные хорошо известным приливам в океане под действием Луны) становятся настолько велики, что способны привести к потере звездой значительной части ее массы или даже полному ее разрушению.

Часть этого вещества приобретает скорость, достаточную для убегания из непосредственной окрестности черной дыры, другая же часть оказывается захваченной гравитацией и образует быстро вращающийся диск вокруг черной дыры.

Турбулентное трение между слоями газового диска приводит к отводу углового момента и продвижению вещества к черной дыре. При этом вещество в диске разогревается до десятков и сотен миллионов градусов, интенсивно излучая в рентгеновском диапазоне. В таких ситуациях светимость аккреционного диска может в десятки и даже сотни раз превышать светимость всей галактики.

На сегодняшний день, т.е. около двух месяцев с момента обнаружения, данный объект также наблюдался американской обсерваторией NuSTAR и крупнейшей рентгеновской космической обсерваторией НАСА Chandra. Поток его излучения практически не ослаб за это время. Легко оценить, какую массу вещества должна была поглотить черная дыра, чтобы обеспечить наблюдаемую лишь в рентгеновском диапазоне светимость ядра в течении почти двух месяцев. Эта величина превышает один процент массы звезды солнечного типа и заметно превосходит массу планеты или астероида.

Получить оценки подобного рода стало возможно благодаря наблюдениям на 1,6-метровом телескопе АЗТ-33 ИК Саянской солнечной обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН у границы с Монголией. Они позволили измерить красное смещение z=0.1, а значит и расстояние до галактики. Свет от нее шел до нас более 1 миллиарда лет. Кроме этого в спектре оптического излучения галактики наблюдатели ИКИ РАН обнаружили узкие эмиссионные линии дважды ионизованного кислорода и Бальмер-альфа линию водорода, совершенно нетипичные для такой галактики. Однако такие линии могут возникать в результате наблюдаемой активности ее ядра в рентгеновских лучах. Данные телескопа в Саянах подтверждены наблюдениями крупнейшего американского оптического телескопа Кека с диаметром зеркала в 10 метров, оснащенного адаптивной оптикой.

В ходе более чем 2-месячного обзора спутником «Спектр-РГ» четверти небесной сферы уже обнаружено несколько источников-кандидатов в события приливного разрушения звезд. О результатах первичного исследования наиболее ярких из них было сообщено в «Астрономических телеграммах» — коротких уведомлениях мирового астрономического сообщества. Такие источники очень редки и связаны с весьма редкими и экзотическими ситуациями.

18 февраля российские ученые сообщили всему миру координаты второго по яркости в рентгеновских лучах кандидата в приливное разрушение звезды сверхмассивной черной дырой. 22 февраля американская система обнаружения оптических вспышек на небе Zwicky Transient Facility (ZTF) объявила об обнаружении этой вспышки в оптических лучах.

Важнейшее отличие этих двух кандидатов в приливное разрушение звезд черными дырами от тех, что исследовались ранее и были открыты первоначально по вспышке в оптических лучах, — вспыхнувшие источники СРГ/еРОЗИТЫ излучают в рентгене в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в оптических лучах.

Всего же за все время обзора обсерватория «Спектр-РГ» уже обнаружила и нанесла на карту более 75 тысяч источников. Большинство из них — далекие сверхмассивные черные дыры, скопления галактик, о существовании многих из которых никто не знал ранее, а также вспыхивающие звезды и белые карлики в нашей Галактике.

Ученые, работающие над обработкой уникальных данных со спутника «Спектр-РГ», благодарны специалистам НПО им. Лавочкина, ИКИ РАН и центров дальней космической связи ГК «Роскосмос» за каждодневный контроль и управление космическим аппаратом, а также прием огромного объема информации. Без работы этих специалистов оперативное получение научных результатов высочайшего класса было бы невозможно.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ» был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: АРТ-ХС/ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA/еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта.

• Научный руководитель миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
• Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
• Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью.

Ожидается, что в ходе обзора неба «Спектр-РГ» обнаружит около 3 миллионов аккрецирующих сверхмассивных черных дыр, 100 000 скоплений галактик, сотни тысяч звезд с активными коронами и аккрецирующих белых карликов, десятки тысяч звездообразующих галактик и многие другие объекты, в том числе неизвестной природы. Эти данные исключительно важны для понимания того, как распределена материя во Вселенной, какую роль в её развитии играла темная энергия и как в ней появлялись и росли сверхмассивные чёрные дыры.