Недавно обнаруженные рентгеновские объекты могут быть редким типом черной дыры

Фото из открытых источников
Сначала Мустафа Мухибулла не поверил своим глазам. Просматривая архивные данные с орбитальной рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», аспирант-астрофизик из Университета Алабамы задавался вопросом, не обнаружил ли он новый, загадочный тип рентгеновского объекта. «Я думал, что это артефакты, ошибки в данных или что-то в этом роде», — говорит он.
 
Объекты светились в чрезвычайно низкоэнергетическом, длинноволновом, «мягком» рентгеновском диапазоне на самом краю диапазона чувствительности Чандры. Как оказалось, они действительно были ранее неоткрытым классом рентгеновских излучателей. Выступая в начале этого месяца на заседании Американского астрономического общества, Мухибулла и его коллеги окрестили странности гипермягкими рентгеновскими источниками (HSS). И они могут быть давно искомыми, редко наблюдаемыми черными дырами средней массы.
 
«Мы, как сообщество рентгеновских ученых, на самом деле не рассматривали самые низкоэнергетические области возможностей Chandra», — говорит Томас Коннор, астрофизик из Chandra X-ray Center в Центре астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт (CFA), который не принимал участия в исследовании. Эта работа, по его словам, позволяет другим узнать, что «там что-то есть».
 
Мухибулла, работающий в лаборатории астрофизика Джимми Ирвина, обнаружил 115 загадочно мягких рентгеновских объектов в данных, собранных Chandra с 2000 по 2016 год. Он сосредоточился на шести близлежащих галактиках и выбросах в диапазоне от 0,15 до 0,3 килоэлектронвольт (кэВ), самых мягких рентгеновских лучах, которые может обнаружить Chandra. Менее 10 источников появились в астрономических каталогах. Чтобы исключить возможность того, что они были фоновым шумом или вспышками известных объектов, он объединил целых 17 наблюдений одного и того же места.
 
HSS обычно появляются в областях звездообразования галактик, таких как рукава спиральных галактик или центральный выступ эллиптических галактик, похожих на капли. Хотя они светятся в низкоэнергетическом мягком рентгеновском излучении, они выдают огромное количество этих электромагнитных волн; HSS почти такие же яркие, как редкие космические объекты, известные как «ультраяркие рентгеновские источники», которые производят в 10 миллионов раз больше энергии, чем Солнце.
 
Понимание наблюдений Chandra в заданном диапазоне энергий «по общему признанию, очень сложно», добавляет Коннор. Это связано с тем, что в начале миссии Chandra ее главный инструмент начал терять чувствительность к мягкому рентгеновскому излучению, объясняет он.
 
Итак, что это за странные вещи? В космосе рентгеновские лучи обычно исходят от горячего газа, часто, когда он по спирали приближается к какому-то массивному компактному объекту, сжимается и нагревается. Чем плотнее закручивается материя, тем она становится горячее и тем жестче испускаемые ею рентгеновские лучи. Таким образом, учитывая сверхмягкие длины волн новых объектов, HSS может быть относительно большим звездным трупом, известным как белый карлик, предполагают Мухибулла и коллеги. Такие звездные ядра аккрецируют материю из звезды-компаньона и в конечном итоге взрываются как сверхновые.
 
Первоначально эта интерпретация применялась к так называемым сверхмягким рентгеновским источникам, которые излучают немного более жесткие рентгеновские лучи с энергией до 1 кэВ. Однако такие источники оказались слишком редкими, чтобы объяснить все теоретически ожидаемые сверхновые, которые происходят от двойных белых карликов, объясняют исследователи. Однако объединение многочисленных HSS с известными сверхмягкими источниками удваивает число кандидатов в белые карлики, что лучше соответствует теоретическим ожиданиям.
 
Однако HSS все еще более загадочны, говорит Мухибулла. В среднем их температура составляет 230 000 кельвинов, что составляет всего одну пятую от температуры короны Солнца. И хотя они менее яркие, чем сверхмассивные черные дыры, они ярче, чем типичные рентгеновские двойные. Поэтому Мухибулла считает, что HSS могут быть другим, более неуловимым объектом: так называемыми черными дырами промежуточной массы.
 
Начиная с 1960-х годов, рентгеновские астрономы обнаружили несколько черных дыр с массой примерно в дюжину раз больше массы Солнца, выводя их массы и километровые ширины из спектра их рентгеновских лучей. В течение десятилетия физики также смогли обнаружить пары таких черных дыр звездной массы, спиралевидно скручивающихся вместе с помощью ряби в пространстве-времени или гравитационных волн, которые возникают при их слиянии. Радиоастрономы также обнаружили гораздо более крупные, более холодные сверхмассивные черные дыры, весящие в миллионы или миллиарды раз больше Солнца в центрах нашей галактики и других.
 
Но пока ученые не нашли убедительных доказательств существования черных дыр в диапазоне средних масс от сотен до тысяч солнечных масс. С их сочетанием Златовласки из низкоэнергетического рентгеновского излучения и высокой яркости HSS могут быть именно такими, считает Мухибулла.
 
Это имеет смысл для Фабио Пакуччи, астрофизика из CFA и эксперта по черным дырам, который не принимал участия в работе. «Я действительно думаю, что интерпретация с помощью черных дыр даже лучше [чем белые карлики]».
 
Но положительная идентификация источника HSS может быть сложной. Главный инструмент Chandra теперь едва может улавливать столь мягкое рентгеновское излучение, и NASA уже предложило свернуть миссию. Мухибулла говорит, что он и его коллеги надеются продолжить охоту с другими спутниками, такими как телескоп XMM Newton Европейского космического агентства, хотя его детекторы имеют более низкое разрешение, чем у Chandra.
 
Многие исследователи надеются, что США запустят замену Chandra. NASA разрабатывает планы миссии стоимостью в 1 миллиард долларов, которая известна как Advanced X-Ray Imaging Satellite (AXIS). Загадка HSS может быть еще одной причиной для ее создания, говорит Коннор. «Это кажется веской причиной для существования AXIS».