Сергей Попов - Суперобъекты. Звезды размером с город

Самая простая возможность для объяснения аномально мощных источников, которую немедленно предложили астрофизики, это гипотеза, что там находится черная дыра, масса которой не 5, 7 или 10 солнечных масс (то, чего мы ожидаем от стандартной звездной эволюции), а сотни или даже тысячи масс Солнца. Это помогло бы ответить на многие вопросы и объяснить свойства этих ультрамощных (ultraluminous), как их называют из-за их большой светимости (т. е. мощности), источников. Проблема только в том, что непонятно, как такие черные дыры появляются в природе, и это до сих пор остается предметом очень активной дискуссии. То ли действительно есть какой-то способ создавать черные дыры промежуточных масс (промежуточных между звездными черными дырами и сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центрах галактик), или же все-таки ультрамощные источники можно объяснить еще более тривиальным способом, допустив, что излучение испускается не симметрично, а направленно, как у прожектора. И тогда, если прожектор смотрит прямо на нас, мы видим очень яркий источник, думаем, что у него огромная светимость, предполагая, что он одинаково светит во все стороны, а светит он на самом деле в основном в нашем направлении.

Каждый год появляются новые интересные данные по ультрамощным источникам. Сейчас складывается картина, в которой эти объекты представляют собой смесь, ассорти. Есть очень веские аргументы в пользу того, что самые мощные из известных источников (например, источник HLX-1 в галактике ESO 243–49) действительно содержат очень массивные черные дыры с массами от нескольких сотен до 10 000 солнечных. С другой стороны, надежные оценки масс аккреторов в нескольких ультрамощных источниках свидетельствуют о типичных звездных массах черных дыр. Один источник, ко всеобщему удивлению, вообще оказался аккрецирующей нейтронной звездой! В 2014 году это замечательное открытие сделали Маттео Бакетти (Matteo Bachetti) и его соавторы, проводившие наблюдения на рентгеновском спутнике NuSTAR. Источник Х-2 в известной близкой галактике М82 оказался рентгеновским пульсаром с периодом чуть более одной секунды. Черные дыры пульсарами быть не могут, так что это точно нейтронная звезда. Наверняка ультрамощные источники еще не раз удивят астрономов. Например, высказываются гипотезы, что некоторые из них могут быть связаны с магнитарами.

Фотография галактики ESO 243–49 с гипермощным (hyper luminous) источником HLX-1. Местоположение источника отмечено кружком.

Для появления некоторых интересных типов объектов нужно, чтобы звезда очень быстро вращалась. Пожалуй, есть два основных класса объектов, которые, как думают, образуются из очень быстро вращающихся ядер звезд: магнитары и источники длинных гамма-всплесков. Магнитары – это нейтронные звезды, которые характеризуются очень мощным магнитным полем. Чтобы создалось такое магнитное поле, т. е. чтобы были токи, которые его поддерживают, нужен какой-то механизм. Дело в том, что простого сохранения магнитного потока, скорее всего, недостаточно для возникновения магнитарных полей. Сейчас известно несколько массивных звезд с большими магнитными полями на поверхности. Но в состав магнитара входят только поля, пронизывающие ядро звезды. Хенк Спруит показал, что поля в ядре не хватит для того, чтобы объяснить параметры магнитаров. Значит, нужна дополнительная генерация.

Мы умеем генерировать электрические токи динамо-механизмами. При этих процессах энергия движения вещества (в том числе вращения) переходит в энергию электрического поля, а стало быть – в энергию магнитного поля. Соответственно, в динамо что-то должно крутиться.

Чтобы заработал эффективный динамо-механизм, ядро звезды, которая превратится в нейтронную звезду, должно очень быстро вращаться. Но здесь есть проблема. Массивные звезды имеют очень мощный звездный ветер, а мощность звездного ветра приводит к тому, что звезда замедляет свое вращение. Кроме того, расширение звезд (например, на стадии красного гиганта) также приводит к их торможению, что может сказываться и на вращении ядра. И потому мы ожидали бы, что большая часть массивных звезд к концу своей жизни вращаются очень медленно. Если внешние слои хорошо «зацеплены» за внутренние (например, благодаря магнитному полю), то у таких звезд и ядра должны медленно вращаться. Поэтому будут образовываться нейтронные звезды с не слишком быстрым вращением. «Не слишком» – по меркам нейтронных звезд, это может быть оборот за несколько сотых долей секунды, но нам хочется, чтобы она делала оборот за одну тысячную секунды – именно тогда мы сможем накрутить большое магнитное поле. Значит, ядро звезды надо дополнительно раскрутить.

Где можно раскрутить звезду? Опять-таки только в двойной системе! Если звезда входит в двойную, то возникает сразу несколько возможностей для того, чтобы звезда стала вращаться быстрее. Во-первых, звезда может раскрутиться, если на нее перетекает вещество с соседки. Во-вторых, в очень тесных системах звезды могут раскрутить друг друга приливным взаимодействием. Наконец, звезды могут просто слиться. Тогда получившаяся в итоге звезда будет обладать очень быстрым вращением. Поэтому вероятно, что основной канал образования магнитаров – это эволюция в двойных. Наши расчеты, проведенные в 2005 году вместе с Михаилом Прохоровым, а в 2009-м – с Алексеем Богомазовым, показали, что заметная часть магнитаров может рождаться в двойных системах, где хотя бы одна из звезд прошла стадию раскрутки.

Сейчас есть наблюдательные свидетельства в пользу такой модели. В 2009 году появилась статья Бена Дэвиса и его коллег, в которой они, описывая наблюдения одного из магнитаров – источника мягких повторяющихся гамма-всплесков SGR 1900+14, – начали обсуждать версию, что объект возник в двойной системе. А в 2014 году в работе Джейсона Кларка с соавторами были представлены убедительные аргументы в пользу того, что аномальный рентгеновский пульсар CXOU J1647–45 возник в двойной.

Возможно, что существует набор эволюционных каналов для двойных систем, которые в случае рождения нейтронной звезды приводят к появлению магнитара, а в случае образования черной дыры – к гамма-всплеску.

Гамма-всплески – это самые мощные взрывы во Вселенной. Их полное энерговыделение превосходит некоторые сверхновые. В стандартной на сегодняшний день модели длинных гамма-всплесков для столь неистового энерговыделения необходимо быстрое вращение коллапсирующего ядра звезды. В результате коллапса формируется черная дыра. Если ядро быстро вращается, то вокруг дыры сформируется толстый быстро вращающийся диск вещества. В такой системе, как показывают расчеты, можно сформировать ультрарелятивистский выброс и направленный поток излучения. Если он попадает на Землю, то мы регистрируем гамма-всплеск. Заметьте, в таком сценарии опять необходимо быстрое вращение звезды до взрыва, и мы не знаем, как этого достичь, если звезда не находится (или не находилась ранее) в двойной системе. А некоторые гамма-всплески объясняют и магнитарами.