Уникальный астрономический объект SS 433 (стр. 10 из 12)

Не исключено, что в обоих случаях причиной релятивистских выбросов и струй служат мощные газодинамические процессы, развивающиеся в окрестности черной дыры.

Понимание этих процессов остается пока далеко не полным; но, замечательна уже и сама возможность универсального физического механизма, действующего в столь различных масштабах, как двойная звезда SS 433 и гигантские радиогалактики и квазары. [21]

3.2. Джеты

Релятивистские джеты проявляют себя во всех диапазонах электромагнитного спектра. Движущиеся по спектру эмиссионные линии водорода и гелия имеют сложный профиль и сильно переменны, что свидетельствует о клочковатой структуре джетов. Оптическое излучение джетов в линиях возникает на расстоянии примерно 10¹⁵ см от центрального источника, где температура плазмы опускается до 10⁴ К. Однако на малых расстояниях внутри орбиты двойной звездной системы температура вещества джетов достигает сотен млн. К. О наличии такой высокотемпературной плазмы у основания джетов впервые узнали из анализа рентгеновских спектров, полученных на ИСЗ «Экзосат» в середине 80-х годов. В этих спектрах присутствовала линия излучения, принадлежащая ионизованным до гелиеподобного состояния атомам железа (Fe XXV). В таком состоянии возле ядра остается только два электрона. Линия возникает в результате перехода электронов с первого возбужденного уровня на основной. Испускаемые при этом кванты в лабораторной системе отсчета имеют энергию 6,7 кэВ. Эта линия смещалась по спектру с тем же периодом 163 дня, как и оптические линии. Более того, совпали и амплитуды этих смещений. Тем самым кинематическая модель джетов была подтверждена вплоть до расстояний от источника порядка 10¹² см. Еще более интригующими оказались результаты рентгеновских наблюдений, проведенных ИСЗ «Гинга» в 1987–1989 гг. Во-первых, в несколько раз возросла полная рентгеновская светимость компактного источника, а спектр стал жестче. Во-вторых, как

обнаружил Н. Каваи, структура эмиссионной рентгеновской линии железа оказалась более, сложной.

В спектре присутствовала широкая линия, положение которой (около 7 кэВ) не изменялось с фазой прецессионного цикла. Эта компонента принадлежит переходам между первым возбужденным и основным уровнем уже водородоподобного (Ре XXVI) железа. Отсутствие заметного смещения с фазой прецессионного цикла говорит о том, что широкая линия формируется не в джете, а преимущественно в квазисферической оболочке, не участвующей в релятивистском движении. Кроме этого, в спектре наблюдалась узкая компонента, энергия которой периодически изменялась с фазой прецессии, т. е. эта линия рождалась в релятивистском джете и принадлежала атомам железа, находящимся в более низких стадиях ионизации. По наблюдениям с ИСЗ «Гинга» впервые были получены кривые блеска рентгеновских затмений. Эти затмения возникают в результате покрытия оптической звездой горячих областей квазисферической оболочки и основания джетов. Как следует из анализа этих затмений, большая часть рентгеновского излучения выходит из области с размером порядка 0,1 расстояния между компонентами двойной системы. Длительность рентгеновских затмений позволяет оценить отношение масс в системе.

3.3. Модель SS 433

Главное, что отличает SS 433 от других систем с перетеканием вещества на компактный объект, и с чем связаны феномены этого источника – это огромная скорость поступления вещества в аккреционный диск. При такой скорости устанавливается режим сверхкритической дисковой аккреции. В чем же здесь дело?

Как известно, при дифференциальном кеплеровском вращении вещества, которое устанавливается в аккреционном диске вокруг компактного объекта, за счет некоторых механизмов вязкости (в основном, турбулентности) происходит выделение энергии и потеря момента количества движения. В результате этого вещество оседает на тяготеющий центр. На больших расстояниях от тела с массой М светимость диска вне радиуса R оказывается равной 3/2 GMM/R, где G=6,67·10^-7 см³с^-2г^-1 – гравитационная постоянная, М – скорость аккреции. С приближением к центру при данном темпе аккреции энерговыделение возрастает. С другой стороны, оно не может превысить некоторый предел, называемый Эддингтоновским пределом светимости. Эта светимость для центральной массы порядка солнечной примерно равна 10³⁸ эрг/с. На расстояниях около 10 км (радиус нейтронной звезды или последняя устойчивая круговая орбита вокруг черной дыры солнечной массы) Эддингтоновский предел достигается при темпах аккреции порядка 10^-8

/год. [12].

Светимость обычных двойных рентгеновских источников, как правило, меньше Эддингтоновского предела и соответственно темп аккреции меньше 10^-8 /год.

Однако при характерном для SS 433 темпе втекания вещества в диск (10^-5 /год) этот предел достигается на расстояниях в тысячи раз больших радиуса нейтронной звезды (считаем, что масса центрального объекта близка к солнечной). Внутрь этого радиуса вещество будет проникать только при таком темпе, который обеспечивает энерговыделение на уровне критического. Все остальное вещество должно отбрасываться давлением излучения и оттекать от диска со скоростью, близкой к параболической на данном расстоянии от центрального тела, образуя квази сферическую оболочку. В случае SS 433 скорость оказывается порядка 3·10³ км/с. Кинетическая мощность (т. е. скорость вы носа кинетической энергии) оттекающего вещества будет порядка Эддингтоновской светимости.

При определенных условиях в центре диска могут возникнуть две противоположно направленные воронки, которые и направляют релятивистские джеты. Откуда же возьмутся джеты? Как представляется, небольшой градиент давления вблизи поверхности центрального источника вполне достаточен, чтобы вещество вырывалось с параболической скоростью (а это как раз 0,3–0,5 скорости света для нейтронной звезды). Важно, что из-за действия вязкости скорость оттока вещества на больших расстояниях от поверхности нейтронной звезды будет практически постоянной (3·10³ км/с). При этом центральная оболочка со стороны должна выглядеть совершенно одинаково вне зависимости от того, нейтронная звезда или черная дыра спрятана в ее недрах. Однако, по мнению авторов, небольшой градиент давления вполне может создаться на поверхности быстровращающейся нейтронной звезды со слабым магнитным полем. Именно наличие такой нейтронной звезды объясняет появление джетов с наблюдаемой скоростью.

Широкая компонента

Оттекающий от центральных частей диска поток неоднороден. Его можно представить разбитым на сгустки холодной и плотной плазмы, движущейся в более горячей и разреженной среде (вроде всплывающих облаков). Перемещение этих «островков» относительно горячей среды разогревает их внешние части. Именно в этой горячей среде в результате фоторекомбинации и возникает широкая и мощная линия водородоподобного железа (энергия линии 6,95– 6,97 кэВ). Характерная температура в области формирования широкой линии порядка 1 кэВ, и высокая степень ионизации железа при такой температуре поддерживается процессами фотопоглощения квантов с энергиями 10 кэВ и выше, которые приходят из более глубоких слоев. Фотоны, испускаемые в линии, несколько раз рассеиваются на горячих электронах плазмы, что и создает широкую линию. Затем эти фотоны рассеиваются на более холодных всплывающих островках вещества практически не меняя своей энергии. При этом они проходят дополнительный путь и выходят из оболочки много дальше зоны формирования широкой линии. Именно эта эффективная оболочка с радиусом 0,1 расстояния между компонентами затмевается нормальной звездой. Анализ показывает, что иногда широкая линия железа также частично рождается в джете, однако физически это совсем другая линия – это К-линия низко ионизованного железа с энергией 6,4 кэВ, смещенная до энергии 7 кэВ из-за эффекта Доплера. Она уширяется при рассеянии на горячих электронах в джете, который неоднороден и состоит из отдельных более холодных сгустков, окруженных горячей разреженной плазмой. Добавим, что центральная оболочка и джет погружены в еще более разреженную корону (или гало), и даже при полном затмении центральной оболочки и джета мы все-таки наблюдаем остаточное рентгеновское излучение, рассеянное на электронах не затмевающейся короны. Нужная концентрация электронов во внешнем гало поддерживается дополнительной поставкой их при «таянии» всплывающих плотных островков в разреженной плазме внешней короны.

Непрерывное рентгеновское излучение SS 433, которое наблюдалось с борта ИСЗ «Гинга», описывается законом тормозного теплового спектра с температурой 30 кэВ. Это излучение в основном выходит из глубоких слоев центральной оболочки. Конечно, непрерывный спектр образуется и в более высоких, т. е. менее горячих, слоях оболочки, но с меньшей интенсивностью. Часть непрерывного излучения формируется в джете и в моменты понижения светимости центральной оболочки доля излучения от джета возрастает. [23]

3.4. Черная дыра или нейтронная звезда?

Одним из нерешенных вопросов на данный момент остается вопрос о природе компактного объекта в SS 433. Соблазнительно видеть в нем кандидата в черные дыры, однако сколь нибудь надежных доказательств этому пока нет. Что же мы знаем о компактной звезде в SS 433? По кривой лучевых скоростей можно определить функцию масс двойной звездной системы. Значение полуамплитуды лучевых скоростей, полученные по линии ионизованного гелия Hell (l-4686 А), имеют большой разброс – от К=195 км/с до К=150 км/с. При этом разброс в функции масс оказывается еще больше: от f = 10,6

до f = 4,8 . Предполагается, что эта «линия формируется непосредственно вблизи компактного объекта и тем самым ее лучевая скорость совпадает с лучевой скоростью объекта. Чтобы получить оценку массы этого тела, надо найти отношение масс в системе.