С.Ф. Предсказывают, но неудачно.
А.Г. То есть, пока наблюдательные данные не говорят о том, что это явление может повторяться с определенной периодичностью?
В.С. Есть часть транзиентов, в которых черная дыра находится на вытянутой элиптической орбите …
А.Г. Проходя, она забирает новую порцию вещества…
В.С. Да, да, там легко можно предсказать, там периодически все повторяется.
С.Ф. Это идея сверхкритической аккреции, о которой Валера начал рассказывать. Надо сказать, что сначала была статья наших астрофизиков Н.И.Шакуры и Р.А.Сюняева, это, конечно, гениальная статья, хоть и 1973-го года. Начиная с этого момента, астрофизикам стало ясно, как рассматривать аккреционные диски, стало понятно, как двигаться. Там у них был параграф «Сверхкритическая аккреция», и там они рассказали, что это примерно такое. Валера уже говорил: вещества поставляется (темп аккреции) очень много, а нормальная звезда, как говорят, она как бы не знает о проблемах со сверхкритической аккерцией у звезды-соседки; она может выдать в десять раз больше, в тысячу раз больше, а потом вдруг замолчать. В этом плане трудно предсказать вспышку. Если темп аккреции, то есть темп поступления газа в диск, становится выше, чем критический, тогда диск раздувается, вспухает, возникает мощнейший ветер, и внутри этого ветра поглощается все рентгеновское излучение. Такой объект может вспыхнуть даже в оптике.
В.С. В нашей галактике есть пример такого уникального объекта, где идет сверхкритическая аккреция все время. Большой вклад как раз Сергей Фабрика внес в изучение этого объекта, это объект SS433.
С.Ф. Пока мы смотрим на галактику М33, это изображение получил Фил Массей, известный астрофизик из США.
В.С. В этой галактике некоторые, тот же Сергей Фабрика, пытались найти такие же объекты, как SS433.
С.Ф. На нашем шестиметровом телескопе мы с Ольгой Шолуховой затратили очень много времени и сил в поисках в галактике М33 подобного объекта, о котором мы сейчас будем говорить. Тоже «уникального», но второго. Безрезультатно. Этот объект – SS433 – тоже черная дыра в двойной системе. Но в отличие от всех микроквазаров, он показывает не транзиентные всплески, а он постоянно и существенно сверхкритический. Там в тысячу или даже в десять тысяч раз больше падает вещества (вещество поставляет вторая звезда) в область черной дыры, чем нужно для того, чтобы диск стал сверхкритическим.
В.С. Все это избыточное вещество вытекает в виде ветра от диска, мы, собственно, этот плотный ветер и видим у этого источника.
С.Ф. Почему другие галактики? Потому что все массивные и интересные звезды, которые потом дают черные дыры, все находятся в плоскости нашей Галактики, и мы находимся в плоскости Галактики. Галактическая пыль и газ тоже находятся в плоскости и заслоняют нам самое интересное. Нужны другие галактики, причем, удачно к нам развернутые.
А вот красавица М33, это близкая галактика в созвездии Треугольника, она ориентирована к нам почти плашмя, так что там мы можем все видеть и изучать все объекты в этой галактике.
А.Г. Но такого объекта вы там не нашли?
С.Ф. Мы не нашли… Но мы затратили довольно много времени, и мы потом даже переформулировали нашу программу на поиск наиболее массивных звезд.
А.Г. Давайте перейдем к тому объекту, который вы наблюдали.
С.Ф. Да, на следующей картинке он должен быть. Это картинка сделана Золтом Параги из Двингелоу, Голландия. Здесь тройной монтаж, сверху – это туманность огромных размеров.
В.С. Это все в радиодиапазоне.
С.Ф. Да, по обе стороны от центра (где находится объект) – по 50 парсек, то есть струи со скоростью четверть скорости света покрывают это расстояние примерно за тысячу лет. В этом объекте постоянно выбрасываются струи, и скорость струй постоянная, примерно четверть скорости света. Вся эта туманность представляет собой поджатый струями межзвездный газ. Справа где-то там проходит почти вертикально плоскость Галактики, в плоскости Галактики больше межзвездного газа. Одна струя в нее упирается, поэтому сама струя такая коротенькая. А слева струя более протяженная, расширенная. Примерно за десять тысяч лет своей жизни «в качестве микроквазара» этот микроквазар произвел такое воздействие на межзвездную среду. При лучшем разрешении, в центре, показана картинка, как эти струи распространяются. Они мало того что выбрасываются с такой чудовищной скоростью, они еще и процессируют с периодом 160 дней. И мы можем наблюдать две противоположные струи под разными углами, изучать релятивистские эффекты и эффекты взаимодействия струй с веществом. Это потрясающая лаборатория, SS433. На картинке видны изгибы струй. Это прецессионное движение – поворот оси струй в пространстве. А внизу, к сожалению, качество не очень хорошее, это с рекордным разрешением или почти с рекордным разрешением показан сам центр. Это все получено методами радиоастрономии со сверхдлинными базами.
В.С. Вся Земля – как один радиотелескоп.
С.Ф. Да. Но, в данном случае это «European VLBI Network». Только европейские радиотелескопы участвовали. И тут уже с огромным разрешением до одной миллисекунды дуги виден центр. Те же самые струи выбрасываются, летят с огромной скоростью. Здесь даже заметно еще и вертикальное, перпендикулярное струям истечение. Оно было предсказано, это «экваториальный ветер» – газ, который теряет двойная система в плоскости аккреционого диска.
А.Г. А каковы расстояния до объекта?
С.Ф. Пять килопарсек. Это единственный объект (он не единственный, он единственный, где так красиво и точно), где мы можем измерить эффекты замедления времени. Излучатель летит со скоростью около скорости света, в нем замедляется время с точки зрения земного наблюдателя. И, наблюдая его спектроскопически, мы этот эффект видим просто по красному смещению линий, и поэтому мы можем точно узнать скорость. 79 тысяч километров в секунду, четверть скорости света! А поскольку мы еще видим в радиодиапазоне, как эта штука расширяется, мы можем связать угловую меру и линейную и найти расстояние. Это, наверное, единственный объект вообще в природе, где можно с огромной точностью для астрономии – 5% – вычислить расстояние.
В.С. Оболочки новых расширяющихся звезд тоже позволяют это.
С.Ф. В общем-то, да, световое эхо.
В.С. Не обязательно эхо. Там просто видна сама оболочка, ее расширение, и по эффекту Доплера измеряется скорость, получается то же самое.
С.Ф. На следующей картинке изображение SS433 с японского рентгеновского спутника «ASCA». Таро Катани сделал глубокую-глубокую фотографию. Сейчас, конечно, летают спутники с более высоким угловым разрешением, но зато «ASCA» была достаточно чувствительна. В центре – сам объект, а справа-слева видно, как распространяются эти струи в рентгеновском диапазоне.
В.С. Надо сказать, тут тот же масштаб, что и на самой верхней картинке в радиодиапазоне, то есть это те же 100 парсек.
А.Г. То есть, это вся туманность.
С.Ф. Да. Этот микроквазар произвел такое воздействие на межзвездный газ. На самом деле струи процессируют. И угол процессии ± 20 градусов, а мы видим здесь струи более узкими. Это из-за того, что газ движется с релятивистской скоростью как бы по образующей конуса процессии, расширяется, и к центру, к оси конуса идут ударные волны, там вещество схлопывается. Получается симметрия совершенно другая. В центре наиболее высокая температура. На следующей картинке, вероятно, будет модель системы SS433. Чтобы ее долго не объяснять – это двойная звезда. Модель получена по наблюдениям на 6-метровом телескопе. Эта картинка научная, в отличие от предыдущих красочных.
В.С. Вот двойная звезда показана кругом.
С.Ф. Да. Тут была идея показать только то, что мы наблюдаем. Самое интересное, это не поток (stream), что сбоку показан, – горячий поток газа течет и упирается в аккреционный диск. Самое интересное – центральная машина, сама черная дыра, окутанная газом. Мы наблюдаем в SS433 очень мощный ветер, только ветер и больше ничего. Из сверхкритического аккреционного диска дует очень сильный ветер, который закрывает собой и диск, и черную дыру. Аккреционный диск (темный на рисунке) на самом деле не наблюдается, но не нарисовать его было нельзя. По центру мы видим рентгеновские горячие струи. Струи в ветре делают каналы, и через эти каналы выходит релятивистский газ, там формируются струи. В рентгеновском диапазоне, на рентгеновских спутниках мы, собственно, наблюдаем этот остывающий и выходящий рентгеновский газ. А окружен он относительно более холодным коконом, который излучает в горячих линиях гелия-2 уже в оптическом диапазоне.
Дальше должна быть, вероятно, картинка с моделью этих струй. Тоже самое, но сбоку: звезда оптическая (или донор), черный квадрат – область радиусом сто на сто радиусов Шварцильда, куда, конечно, не заглянешь. Но уже сейчас на машинах с миллиардами операций в секунду возможно моделирование этой области. И эти самые современные модели показывают, что непосредственно около черной дыры в центре сверхкритического аккреционного диска должен сразу формироваться канал, градусов 30-40, довольно широкий. Канал перпундикулярен диску, в этом канале выходит газ струи. А потом, выше, канал обжимает релятивистский поток и схлопывает его в струю.
Здесь показана точками область рентгеновского излучения, ее окружает кокон газа, он излучает в оптике и УФ. Пунктиром показана сама струя газа, уже на больших расстояниях, где мы ее наблюдаем на оптических телескопах. Уникален объект тем, что в оптике, на обычном спектре мы видим эти струи. Здесь нужно сказать об интересном моменте. Когда-то очень много обсуждались внеземные цивилизации – «возможно-невозможно» (тема, конечно, важная). Была даже такая неинтересная, конечно, идея, что внеземные цивилизации, мол, должны так себя проявить, что создать объект, который невозможен в принципе. Объект, который летит и к нам, и от нас одновременно. Когда астрофизики открыли SS433, они увидели, что часть объекта летит в одну сторону (по спектру, по эффекту Допплера, линии от двух струй смещаются в разные стороны), а часть – в другую. Это приближающаяся и удаляющаяся струи. На картинке, дальше в больших масштабах уже показана туманность, которую мы обсудили выше.
В.С. Понятно, что их две, в разные стороны.
С.Ф. Да, конечно, это схема. В SS433 две противоположно направленные струи. Точки – это рентгеновское излучение, а червячки – это радиоизлучение. Там уже происходит диссипация кинетической энергии струй и удар по межзвездной среде.
А.Г. Тот график, что мы видели до этого – вспышка рентгеновская, потом ослабление рентгеновского излучения и появление рассеянного рентгеновского излучения. Все здесь, собственно, есть.
В.С. Только здесь постоянно во времени.
С.Ф. Дальше мы по плану должны показать сам внутренний канал, области, близкие к черной дыре. Если в классических микроквазарах мы видим область ускорения струй, как говорят, голую черную дыру и аккреционный диск вокруг нее, то здесь все покрыто истекающей оболочкой (ветром). Энергетика объекта огромна, она существенно больше, чем энергетика или светимость самых ярких рентгеновских источников нашей Галактики, других черных дыр, классических, типа Лебедь Х-1, Геркулес Х-1. Но все это закрыто истекающим ветром, здесь показан ветер. В канале распространяется быстрая плазма, сам канал – это дыра в медленном ветре. А медленный ветер, это «всего-навсего» тысяча километров в секунду.
В.С. Он более плотный поэтому.
С.Ф. Да. Теперь о взаимодействии этой быстрой плазмы и медленного ветра. Стенки канала должны определенным образом жить, там возможны неустойчивости типа волн на море, когда дует ветер. Стенки канала – это динамическое образование: в плотном и медленном ветре существует канал, в котором движется быстрый и разреженный ветер. На стенках канала появляются волнообразные неоднородности, возникают очень мощные ударные волны, которые движутся в центр, к оси, они же схлопываются в центре, и таким образом формируется струя SS433. То есть механизм ускорения здесь гидродинамический, за счет светового давления.
В.С. За счет светового давления, скорее, чем гидродинамического. Гидродинамической является коллимация, то есть сужение этих струй, схлопывание.
С.Ф. Да, это точнее. Но теперь уже надо переходить к ультраярким рентгеновским источникам.
В.С. Которые, возможно, связаны генетически с теми объектами, о которых мы говорили.
С.Ф. На следующей картинке опять же SS433. Это наша работа. Мы с Татьяной Ирсмамбетовой изучили 2000 наблюдений. Там, на самом деле, много работаешь, получаешь мало (в смысле результатов). Пришли к выводу, как выглядит сама центральная часть, область, окутывающая эти струи. Иногда этот объект впадает в активное состояние, а у него такое бывает. Это аккреционный диск, справа – активные картинки, слева – пассивные. Сверху, он к нам наклонен максимально в своей прецессии, а снизу так называемая ориентация «edge-on», т.е. когда мы наблюдаем в плоскости диска. Там формируются колонны (коконы) очень горячего газа, которые в активном состоянии просто увеличиваются в размере. И они, в отличие от нас, наблюдателей, видят то, что там внутри, в этом канале, и переизлучают внутреннее излучение. На основе примерно таких представлений было предсказано, что мы увидели бы, если смогли заглянуть в этот канал. Но мы, к счастью, не можем.
Почему к счастью? Потому что объект к нам развернут так, что мы наблюдаем затмения в двойной системе, мы его изучаем очень эффективно. А потом, это было бы очень ярко. Так вот, мы бы увидели рентгеновский источник чудовищной яркости, это эффект прожектора, потому что кванты света, распространяясь, все равно так или иначе выходят наверх по каналу. На самом деле лампочка в прожекторе не такая яркая, как кажется, когда на нас светят. То есть и в прожекторе, и в SS433 формируется коллимированное излучение. На этой идее было предсказано, что в других галактиках…
А.Г. Должны находить такие источники, то есть повернутые к нам, собственно, этой исходящей…
С.Ф. Именно так. И таких объектов как SS433 в нашей Галактике, примерно один. Да и расчеты показывают, что это очень короткая стадия – всего 10 тысяч лет. И в других галактиках, соответственно, на галактику по одному, один – это значит, конечно, три, или два, или, может быть, ни одного в данный момент, но когда мы наблюдаем много галактик, у нас есть шанс увидеть объекты, которые как раз, как говорится, «face-on» – развернуты плашмя.
А.Г. Во-первых, активны, во-вторых, смотрят на нас.
С.Ф. Совершенно так. Во-первых, там такой объект есть, во-вторых, он определенным образом ориентирован. Это ультраяркие рентгеновские источники, которые открыты – осознаны, точнее, – два года назад.
В.С. Впервые они были обнаружены, конечно, давно, в 89-м году еще. Так сказать, описаны. Но осознаны 2-3 года назад, наверное.
С.Ф. На следующих картинках будет о них рассказ – об ультраярких рентгеновских источниках. Это фотография в рентгеновских лучах со спутника «POSAT» галактики М-31, знаменитой туманности Андромеды. Это галактика нашей Местной Группы. Местная Группа галактик – это наша Галактика, М33, вот та картинка, что до этого была, М31, плюс несколько десятков карликовых галактик. В рентгеновских лучах она выглядит, может, не так красиво, как в оптике. Объектов типа ультраярких рентгеновских источников, здесь нет ни одного. Один такой объект был бы ярче, чем вся эта галактика. Конечно, открытие таких источников в других галактиках заинтересовало и заинтриговало.
В.С. Здесь есть яркое сгущение. Оно такое же, но находится где-то на краю галактики. Это яркий источник.
А.Г. То есть, если мы в рентгеновском диапазоне видим у галактики, по сути дела, два центра, то значит, это есть сверхяркие рентгеновские источники.
С.Ф. На самом деле ультраяркие рентгеновские источники должны появляться и в центрах галактик. Но там трудно доказать, что это не активное ядро. Потому что некоторые активные ядра галактик – квазары, они же имеют почти такую же светимость. Поэтому не помещалось в голове, чтобы какой-то микроквазар светил с такой чудовищной мощностью.
В.С. Просто есть малоактивные квазары, лайнеры так называемые, у которых светимость как раз такая, 10 в 40-й, 10 в 42-й эргов в секунду.
С.Ф. Вот это уже наши результаты из галактики Holmberg-2, есть такой ультраяркий источник. Это карликовая галактика. А красным здесь показана только небольшая область этой карликовой галактики. То есть сама галактика раз в 20 больше, чем красная область, которая была сфотографирована в фильтре линии H-альфа, это линия водорода. Рядом же есть огромная, гигантская галактика М81, которая существенно больше карликовой галактики. Так вот, эта штучка, которая в центре крестиком помечена, в рентгеновском диапазоне излучает примерно столько же, сколько вся гигантская галактика М81. Светимость для астрономов раньше была невероятная. Мы можем назвать цифру 10 в 40-й степени эргов за секунду. Это примерно в 100 миллионов раз ярче, чем полная светимость Солнца – только в рентгене.
Здесь на картинке результаты, которые мы получили, когда провели панорамную спектроскопию на так называемом мультизрачковом (MPFS) фиберном спектрографе, на 6-метровом телескопе БТА. Это прекрасный спектрограф, создатель его Виктор Афанасьев, и идея там замечательная: матрица из 15 на 15 микрообъективов. Они ставятся в фокальную плоскость телескопа, и каждый микрообъектов формирует изображение. Потом оптоволокном все изображения выводят на ПЗС-детектор. Это так называемая 3D-спектроскопия. Во-первых, у вас два измерения на картинке – 2D и еще спектр в каждой точке. Это новые методы, сейчас на крупнейших телескопах создаются примерно такие спектрографы, но этот наш спектрограф был первым.
Еще квадратик – поле наблюдений со спектрографом РMAS, это спектрограф немецкий, они промазали немножко, но неважно. CHANDRA, это американская рентгеновская обсерватория, дала черный квадратик. Здесь находится объект. И дальше, на следующей картинке, то же самое, но это уже результат или изображение с многозрачкового спектрографа MPFS. Самое интересное, что обнаружено (верхняя левая картинка), туманность в линии гелия-2. Это очень высокое возбуждение газа. И эта туманность возбуждается рентгеновским источником. Доказано, что источник сидит именно там, в этой галактике, что это не проекция. И именно межзвездный газ той галактики «видит» этот рентгеновский источник.
Что, собственно, новым является – хотя в той теме, что мы обсуждаем, у Валеры, я знаю, другое мнение на природу этих объектов. Эта тема – даже не новейшая история, это просто текущая ситуация. Пока это все только в процессе понимания, или даже в начале понимания. Так вот, новым является то, что мы обнаружили градиент скорости в туманности.
Это яркое красное пятно – туманность в линии гелий-2. Одна часть туманности к нам приближается на 50 километров в секунду, а другая удаляется с такой же скоростью. Такое возможно только в случае, если это действительно SS433 или микроквазар, то есть имеется динамическое воздействие струй на межзвездный газ. Несмотря на то, что такие объекты были предсказаны, конечно же, сразу появились другие идеи. И альтернативная, самая интересная идея, что ультраяркие рентгеновские источники – это черные дыры промежуточных масс. Они предсказаны астрономами были давно. В принципе, они должны формироваться либо из первичных звезд, в самом-самом начале, когда еще Вселенная не прожила и процента своего времени – когда образовывались первичные, очень массивные звезды. Либо в шаровых скоплениях. Да, возможно, это черные дыры промежуточных масс. Почему нужна большая масса и почему промежуточная? У нас есть квазары – миллионы и миллиарды масс Солнца и есть микроквазары – несколько масс Солнца, а где черные дыры в тысячи масс Солнца?
В.С. Сто – тысяча масс Солнца.
С.Ф. И это конкурирующая идея: черная дыра промежуточной массы, в принципе, может тоже очень ярко излучать. Потому что очень большая масса. Валера считает, что..
В.С. Я могу сам рассказать. Дело в том, что в такой же двойной системе, в которой находится СС-433, может находиться черная дыра очень большой массы, 50 масс Солнца, сто масс Солнца. Ну, сто масс Солнца я загнул, конечно, 50. И если на нее будет сыпаться в режиме сверхкритической аккреции или близкой к ней вещество, она может излучать как раз 10 в 40-й эргов в секунду, те самые, которые нужны. Но там, правда, есть одно затруднение: дыра такой массы будет давать слишком мягкий рентгеновский спектр, не такой жесткий, как наблюдается. Здесь, на самом деле, если мы теорию дисковой аккреции будем более тонко рассматривать, можно сделать излучение таким жестким, каким оно наблюдается.
В объектах нашей Галактики, таких как Лебедь ХI, наблюдаются более жесткие спектры, чем следует из простейшей теории дисковой аккреции, то есть они переходят из одного состояния в другое, когда излучение идет главным образом в мягком рентгеновском диапазоне. Тогда в этом диапазоне они становятся очень яркими – такое мягкое излучение. Это сам аккреционный диск, оптически толстый, светит, как ему полагается по теории. Но иногда происходит переход в жесткое состояние, когда вся та же энергия примерно высвечивается, но в более широком диапазоне спектра, в более жесткой части, поэтому в мягком диапазоне спектра он подседает, как бы низкое состояние у него в этом диапазоне становится.
С.Ф. Ты объясни, если это черная дыра промежуточной массы, откуда 10 в 40-й эрг за секунду? И больше ничего не требуется.
С.Ф. Для одной массы Солнца критическая светимость – 10 в 38-й. Это если ты берешь просто сто масс Солнца, у тебя будет 10 в 40-й. Но 100 – много.
А.Г. Почему 100 – это много?
В.С. Потому что 100 – это верхний предел на массу современных звезд, они не могут существовать большей массы просто из-за того, что та же самая светимость, сверхкритическая, будет осуществляться уже в звезде.
А.Г. А первичные звезды могли быть большей массы?
В.С. Первичные звезды могли быть, наверное, и большей массы, да.
С.Ф. Это гипотетический объект, мы должны верить нашим наблюдениям. Накоплены терабайты наблюдений. Итак, самая массивная известная черная дыра – 14 масс Солнца. Я думаю, мы не можем говорить о 50 или о 100 массах Солнца.
В.С. Но, тем не менее, существуют теоретические сценарии, которые позволяют черной дыре иметь 50 масс Солнца. И если мы будем на нее сыпать гелий, а не водород, в котором давление излучения на эту систему гелия меньше в два раза, то выиграем двойку. Но если мы каллимацию сделаем не как у SS433 – только вдоль луча зрения практически, – а чуть-чуть побольше, то все равно на этом мы можем двойку, четверку выиграть, я думаю.
С.Ф. Я сторонник кардинальных мер. Хорошо. Одна из интереснейших особенностей таких объектов, что они чрезвычайно переменны, несмотря на фантастическую светимость. Это мы легко говорим: 10 в 40-й. А те, кто этим занимается, сначала со стула падали просто, считали, что такое невозможно. Они переменны на минутах, на часах.
В.С. Но они могут быть переменны и на секундах.
С.Ф. Как вы объясните, коллега, такую переменность?
В.С. Они могут быть переменны и на секундах. Дело в том, что…
А.Г. Простите, что я перебиваю ваш профессиональный спор, у нас очень мало времени осталось, вы все равно его не закончите. А нам интересно – не дразните нас.
У меня вот какой вопрос возник. Вы говорите о светимости в рентгеновских лучах. А сами наблюдаете с оптического телескопа. Вообще, у оптики есть будущее в наблюдательной астрономии? Или с тех пор как появились радиотелескопы, тем более такие, которые опоясывают всю Землю, по сути дела, или телескопы, выведенные за пределы вечно мешающей атмосферы, нам нет необходимости больше строить оптические телескопы на Земле?
С.Ф. У оптики есть будущее. И об этом говорит хотя бы то, что в развитых странах один из основных пунктов из затрат на астрофизику – это именно развитие оптических телескопов. Оптика достигла существенно лучших спектральных разрешений и возможностей, чем в рентгене или в радио, их нельзя противопоставлять. Без оптики, конечно, невозможна астрофизика. И опять же я говорю, что на Западе, в западных обсерваториях развиваются крупные оптические телескопы. И обязательно в нашей стране они должны развиваться. В частности, 6-метровый телескоп – это единственная обсерватория в нашей стране. Был несчастный случай, связанный с тем, что распался Советский Союз, и потеряны были обсерватории на юге. А наша обсерватория – в России, поэтому она выжила. И сейчас мы наблюдаем фактически на том же самом уровне, что и западные коллеги. У нас нет соревнования, мы даже с ними вместе делаем эти работы. Сейчас у нас существует даже проект улучшения этого телескопа, замены зеркала. Мы молимся, чтобы он получился. Сохранились кадры, и в связи с этим мы можем конкурировать и строить новую аппаратуру.
А.Г. К сожалению, все. Время закончилось. Но мы успели…
А.Г. То есть, пока наблюдательные данные не говорят о том, что это явление может повторяться с определенной периодичностью?
В.С. Есть часть транзиентов, в которых черная дыра находится на вытянутой элиптической орбите …
А.Г. Проходя, она забирает новую порцию вещества…
В.С. Да, да, там легко можно предсказать, там периодически все повторяется.
С.Ф. Это идея сверхкритической аккреции, о которой Валера начал рассказывать. Надо сказать, что сначала была статья наших астрофизиков Н.И.Шакуры и Р.А.Сюняева, это, конечно, гениальная статья, хоть и 1973-го года. Начиная с этого момента, астрофизикам стало ясно, как рассматривать аккреционные диски, стало понятно, как двигаться. Там у них был параграф «Сверхкритическая аккреция», и там они рассказали, что это примерно такое. Валера уже говорил: вещества поставляется (темп аккреции) очень много, а нормальная звезда, как говорят, она как бы не знает о проблемах со сверхкритической аккерцией у звезды-соседки; она может выдать в десять раз больше, в тысячу раз больше, а потом вдруг замолчать. В этом плане трудно предсказать вспышку. Если темп аккреции, то есть темп поступления газа в диск, становится выше, чем критический, тогда диск раздувается, вспухает, возникает мощнейший ветер, и внутри этого ветра поглощается все рентгеновское излучение. Такой объект может вспыхнуть даже в оптике.
В.С. В нашей галактике есть пример такого уникального объекта, где идет сверхкритическая аккреция все время. Большой вклад как раз Сергей Фабрика внес в изучение этого объекта, это объект SS433.
С.Ф. Пока мы смотрим на галактику М33, это изображение получил Фил Массей, известный астрофизик из США.
В.С. В этой галактике некоторые, тот же Сергей Фабрика, пытались найти такие же объекты, как SS433.
С.Ф. На нашем шестиметровом телескопе мы с Ольгой Шолуховой затратили очень много времени и сил в поисках в галактике М33 подобного объекта, о котором мы сейчас будем говорить. Тоже «уникального», но второго. Безрезультатно. Этот объект – SS433 – тоже черная дыра в двойной системе. Но в отличие от всех микроквазаров, он показывает не транзиентные всплески, а он постоянно и существенно сверхкритический. Там в тысячу или даже в десять тысяч раз больше падает вещества (вещество поставляет вторая звезда) в область черной дыры, чем нужно для того, чтобы диск стал сверхкритическим.
В.С. Все это избыточное вещество вытекает в виде ветра от диска, мы, собственно, этот плотный ветер и видим у этого источника.
С.Ф. Почему другие галактики? Потому что все массивные и интересные звезды, которые потом дают черные дыры, все находятся в плоскости нашей Галактики, и мы находимся в плоскости Галактики. Галактическая пыль и газ тоже находятся в плоскости и заслоняют нам самое интересное. Нужны другие галактики, причем, удачно к нам развернутые.
А вот красавица М33, это близкая галактика в созвездии Треугольника, она ориентирована к нам почти плашмя, так что там мы можем все видеть и изучать все объекты в этой галактике.
А.Г. Но такого объекта вы там не нашли?
С.Ф. Мы не нашли… Но мы затратили довольно много времени, и мы потом даже переформулировали нашу программу на поиск наиболее массивных звезд.
А.Г. Давайте перейдем к тому объекту, который вы наблюдали.
С.Ф. Да, на следующей картинке он должен быть. Это картинка сделана Золтом Параги из Двингелоу, Голландия. Здесь тройной монтаж, сверху – это туманность огромных размеров.
В.С. Это все в радиодиапазоне.
С.Ф. Да, по обе стороны от центра (где находится объект) – по 50 парсек, то есть струи со скоростью четверть скорости света покрывают это расстояние примерно за тысячу лет. В этом объекте постоянно выбрасываются струи, и скорость струй постоянная, примерно четверть скорости света. Вся эта туманность представляет собой поджатый струями межзвездный газ. Справа где-то там проходит почти вертикально плоскость Галактики, в плоскости Галактики больше межзвездного газа. Одна струя в нее упирается, поэтому сама струя такая коротенькая. А слева струя более протяженная, расширенная. Примерно за десять тысяч лет своей жизни «в качестве микроквазара» этот микроквазар произвел такое воздействие на межзвездную среду. При лучшем разрешении, в центре, показана картинка, как эти струи распространяются. Они мало того что выбрасываются с такой чудовищной скоростью, они еще и процессируют с периодом 160 дней. И мы можем наблюдать две противоположные струи под разными углами, изучать релятивистские эффекты и эффекты взаимодействия струй с веществом. Это потрясающая лаборатория, SS433. На картинке видны изгибы струй. Это прецессионное движение – поворот оси струй в пространстве. А внизу, к сожалению, качество не очень хорошее, это с рекордным разрешением или почти с рекордным разрешением показан сам центр. Это все получено методами радиоастрономии со сверхдлинными базами.
В.С. Вся Земля – как один радиотелескоп.
С.Ф. Да. Но, в данном случае это «European VLBI Network». Только европейские радиотелескопы участвовали. И тут уже с огромным разрешением до одной миллисекунды дуги виден центр. Те же самые струи выбрасываются, летят с огромной скоростью. Здесь даже заметно еще и вертикальное, перпендикулярное струям истечение. Оно было предсказано, это «экваториальный ветер» – газ, который теряет двойная система в плоскости аккреционого диска.
А.Г. А каковы расстояния до объекта?
С.Ф. Пять килопарсек. Это единственный объект (он не единственный, он единственный, где так красиво и точно), где мы можем измерить эффекты замедления времени. Излучатель летит со скоростью около скорости света, в нем замедляется время с точки зрения земного наблюдателя. И, наблюдая его спектроскопически, мы этот эффект видим просто по красному смещению линий, и поэтому мы можем точно узнать скорость. 79 тысяч километров в секунду, четверть скорости света! А поскольку мы еще видим в радиодиапазоне, как эта штука расширяется, мы можем связать угловую меру и линейную и найти расстояние. Это, наверное, единственный объект вообще в природе, где можно с огромной точностью для астрономии – 5% – вычислить расстояние.
В.С. Оболочки новых расширяющихся звезд тоже позволяют это.
С.Ф. В общем-то, да, световое эхо.
В.С. Не обязательно эхо. Там просто видна сама оболочка, ее расширение, и по эффекту Доплера измеряется скорость, получается то же самое.
С.Ф. На следующей картинке изображение SS433 с японского рентгеновского спутника «ASCA». Таро Катани сделал глубокую-глубокую фотографию. Сейчас, конечно, летают спутники с более высоким угловым разрешением, но зато «ASCA» была достаточно чувствительна. В центре – сам объект, а справа-слева видно, как распространяются эти струи в рентгеновском диапазоне.
В.С. Надо сказать, тут тот же масштаб, что и на самой верхней картинке в радиодиапазоне, то есть это те же 100 парсек.
А.Г. То есть, это вся туманность.
С.Ф. Да. Этот микроквазар произвел такое воздействие на межзвездный газ. На самом деле струи процессируют. И угол процессии ± 20 градусов, а мы видим здесь струи более узкими. Это из-за того, что газ движется с релятивистской скоростью как бы по образующей конуса процессии, расширяется, и к центру, к оси конуса идут ударные волны, там вещество схлопывается. Получается симметрия совершенно другая. В центре наиболее высокая температура. На следующей картинке, вероятно, будет модель системы SS433. Чтобы ее долго не объяснять – это двойная звезда. Модель получена по наблюдениям на 6-метровом телескопе. Эта картинка научная, в отличие от предыдущих красочных.
В.С. Вот двойная звезда показана кругом.
С.Ф. Да. Тут была идея показать только то, что мы наблюдаем. Самое интересное, это не поток (stream), что сбоку показан, – горячий поток газа течет и упирается в аккреционный диск. Самое интересное – центральная машина, сама черная дыра, окутанная газом. Мы наблюдаем в SS433 очень мощный ветер, только ветер и больше ничего. Из сверхкритического аккреционного диска дует очень сильный ветер, который закрывает собой и диск, и черную дыру. Аккреционный диск (темный на рисунке) на самом деле не наблюдается, но не нарисовать его было нельзя. По центру мы видим рентгеновские горячие струи. Струи в ветре делают каналы, и через эти каналы выходит релятивистский газ, там формируются струи. В рентгеновском диапазоне, на рентгеновских спутниках мы, собственно, наблюдаем этот остывающий и выходящий рентгеновский газ. А окружен он относительно более холодным коконом, который излучает в горячих линиях гелия-2 уже в оптическом диапазоне.
Дальше должна быть, вероятно, картинка с моделью этих струй. Тоже самое, но сбоку: звезда оптическая (или донор), черный квадрат – область радиусом сто на сто радиусов Шварцильда, куда, конечно, не заглянешь. Но уже сейчас на машинах с миллиардами операций в секунду возможно моделирование этой области. И эти самые современные модели показывают, что непосредственно около черной дыры в центре сверхкритического аккреционного диска должен сразу формироваться канал, градусов 30-40, довольно широкий. Канал перпундикулярен диску, в этом канале выходит газ струи. А потом, выше, канал обжимает релятивистский поток и схлопывает его в струю.
Здесь показана точками область рентгеновского излучения, ее окружает кокон газа, он излучает в оптике и УФ. Пунктиром показана сама струя газа, уже на больших расстояниях, где мы ее наблюдаем на оптических телескопах. Уникален объект тем, что в оптике, на обычном спектре мы видим эти струи. Здесь нужно сказать об интересном моменте. Когда-то очень много обсуждались внеземные цивилизации – «возможно-невозможно» (тема, конечно, важная). Была даже такая неинтересная, конечно, идея, что внеземные цивилизации, мол, должны так себя проявить, что создать объект, который невозможен в принципе. Объект, который летит и к нам, и от нас одновременно. Когда астрофизики открыли SS433, они увидели, что часть объекта летит в одну сторону (по спектру, по эффекту Допплера, линии от двух струй смещаются в разные стороны), а часть – в другую. Это приближающаяся и удаляющаяся струи. На картинке, дальше в больших масштабах уже показана туманность, которую мы обсудили выше.
В.С. Понятно, что их две, в разные стороны.
С.Ф. Да, конечно, это схема. В SS433 две противоположно направленные струи. Точки – это рентгеновское излучение, а червячки – это радиоизлучение. Там уже происходит диссипация кинетической энергии струй и удар по межзвездной среде.
А.Г. Тот график, что мы видели до этого – вспышка рентгеновская, потом ослабление рентгеновского излучения и появление рассеянного рентгеновского излучения. Все здесь, собственно, есть.
В.С. Только здесь постоянно во времени.
С.Ф. Дальше мы по плану должны показать сам внутренний канал, области, близкие к черной дыре. Если в классических микроквазарах мы видим область ускорения струй, как говорят, голую черную дыру и аккреционный диск вокруг нее, то здесь все покрыто истекающей оболочкой (ветром). Энергетика объекта огромна, она существенно больше, чем энергетика или светимость самых ярких рентгеновских источников нашей Галактики, других черных дыр, классических, типа Лебедь Х-1, Геркулес Х-1. Но все это закрыто истекающим ветром, здесь показан ветер. В канале распространяется быстрая плазма, сам канал – это дыра в медленном ветре. А медленный ветер, это «всего-навсего» тысяча километров в секунду.
В.С. Он более плотный поэтому.
С.Ф. Да. Теперь о взаимодействии этой быстрой плазмы и медленного ветра. Стенки канала должны определенным образом жить, там возможны неустойчивости типа волн на море, когда дует ветер. Стенки канала – это динамическое образование: в плотном и медленном ветре существует канал, в котором движется быстрый и разреженный ветер. На стенках канала появляются волнообразные неоднородности, возникают очень мощные ударные волны, которые движутся в центр, к оси, они же схлопываются в центре, и таким образом формируется струя SS433. То есть механизм ускорения здесь гидродинамический, за счет светового давления.
В.С. За счет светового давления, скорее, чем гидродинамического. Гидродинамической является коллимация, то есть сужение этих струй, схлопывание.
С.Ф. Да, это точнее. Но теперь уже надо переходить к ультраярким рентгеновским источникам.
В.С. Которые, возможно, связаны генетически с теми объектами, о которых мы говорили.
С.Ф. На следующей картинке опять же SS433. Это наша работа. Мы с Татьяной Ирсмамбетовой изучили 2000 наблюдений. Там, на самом деле, много работаешь, получаешь мало (в смысле результатов). Пришли к выводу, как выглядит сама центральная часть, область, окутывающая эти струи. Иногда этот объект впадает в активное состояние, а у него такое бывает. Это аккреционный диск, справа – активные картинки, слева – пассивные. Сверху, он к нам наклонен максимально в своей прецессии, а снизу так называемая ориентация «edge-on», т.е. когда мы наблюдаем в плоскости диска. Там формируются колонны (коконы) очень горячего газа, которые в активном состоянии просто увеличиваются в размере. И они, в отличие от нас, наблюдателей, видят то, что там внутри, в этом канале, и переизлучают внутреннее излучение. На основе примерно таких представлений было предсказано, что мы увидели бы, если смогли заглянуть в этот канал. Но мы, к счастью, не можем.
Почему к счастью? Потому что объект к нам развернут так, что мы наблюдаем затмения в двойной системе, мы его изучаем очень эффективно. А потом, это было бы очень ярко. Так вот, мы бы увидели рентгеновский источник чудовищной яркости, это эффект прожектора, потому что кванты света, распространяясь, все равно так или иначе выходят наверх по каналу. На самом деле лампочка в прожекторе не такая яркая, как кажется, когда на нас светят. То есть и в прожекторе, и в SS433 формируется коллимированное излучение. На этой идее было предсказано, что в других галактиках…
А.Г. Должны находить такие источники, то есть повернутые к нам, собственно, этой исходящей…
С.Ф. Именно так. И таких объектов как SS433 в нашей Галактике, примерно один. Да и расчеты показывают, что это очень короткая стадия – всего 10 тысяч лет. И в других галактиках, соответственно, на галактику по одному, один – это значит, конечно, три, или два, или, может быть, ни одного в данный момент, но когда мы наблюдаем много галактик, у нас есть шанс увидеть объекты, которые как раз, как говорится, «face-on» – развернуты плашмя.
А.Г. Во-первых, активны, во-вторых, смотрят на нас.
С.Ф. Совершенно так. Во-первых, там такой объект есть, во-вторых, он определенным образом ориентирован. Это ультраяркие рентгеновские источники, которые открыты – осознаны, точнее, – два года назад.
В.С. Впервые они были обнаружены, конечно, давно, в 89-м году еще. Так сказать, описаны. Но осознаны 2-3 года назад, наверное.
С.Ф. На следующих картинках будет о них рассказ – об ультраярких рентгеновских источниках. Это фотография в рентгеновских лучах со спутника «POSAT» галактики М-31, знаменитой туманности Андромеды. Это галактика нашей Местной Группы. Местная Группа галактик – это наша Галактика, М33, вот та картинка, что до этого была, М31, плюс несколько десятков карликовых галактик. В рентгеновских лучах она выглядит, может, не так красиво, как в оптике. Объектов типа ультраярких рентгеновских источников, здесь нет ни одного. Один такой объект был бы ярче, чем вся эта галактика. Конечно, открытие таких источников в других галактиках заинтересовало и заинтриговало.
В.С. Здесь есть яркое сгущение. Оно такое же, но находится где-то на краю галактики. Это яркий источник.
А.Г. То есть, если мы в рентгеновском диапазоне видим у галактики, по сути дела, два центра, то значит, это есть сверхяркие рентгеновские источники.
С.Ф. На самом деле ультраяркие рентгеновские источники должны появляться и в центрах галактик. Но там трудно доказать, что это не активное ядро. Потому что некоторые активные ядра галактик – квазары, они же имеют почти такую же светимость. Поэтому не помещалось в голове, чтобы какой-то микроквазар светил с такой чудовищной мощностью.
В.С. Просто есть малоактивные квазары, лайнеры так называемые, у которых светимость как раз такая, 10 в 40-й, 10 в 42-й эргов в секунду.
С.Ф. Вот это уже наши результаты из галактики Holmberg-2, есть такой ультраяркий источник. Это карликовая галактика. А красным здесь показана только небольшая область этой карликовой галактики. То есть сама галактика раз в 20 больше, чем красная область, которая была сфотографирована в фильтре линии H-альфа, это линия водорода. Рядом же есть огромная, гигантская галактика М81, которая существенно больше карликовой галактики. Так вот, эта штучка, которая в центре крестиком помечена, в рентгеновском диапазоне излучает примерно столько же, сколько вся гигантская галактика М81. Светимость для астрономов раньше была невероятная. Мы можем назвать цифру 10 в 40-й степени эргов за секунду. Это примерно в 100 миллионов раз ярче, чем полная светимость Солнца – только в рентгене.
Здесь на картинке результаты, которые мы получили, когда провели панорамную спектроскопию на так называемом мультизрачковом (MPFS) фиберном спектрографе, на 6-метровом телескопе БТА. Это прекрасный спектрограф, создатель его Виктор Афанасьев, и идея там замечательная: матрица из 15 на 15 микрообъективов. Они ставятся в фокальную плоскость телескопа, и каждый микрообъектов формирует изображение. Потом оптоволокном все изображения выводят на ПЗС-детектор. Это так называемая 3D-спектроскопия. Во-первых, у вас два измерения на картинке – 2D и еще спектр в каждой точке. Это новые методы, сейчас на крупнейших телескопах создаются примерно такие спектрографы, но этот наш спектрограф был первым.
Еще квадратик – поле наблюдений со спектрографом РMAS, это спектрограф немецкий, они промазали немножко, но неважно. CHANDRA, это американская рентгеновская обсерватория, дала черный квадратик. Здесь находится объект. И дальше, на следующей картинке, то же самое, но это уже результат или изображение с многозрачкового спектрографа MPFS. Самое интересное, что обнаружено (верхняя левая картинка), туманность в линии гелия-2. Это очень высокое возбуждение газа. И эта туманность возбуждается рентгеновским источником. Доказано, что источник сидит именно там, в этой галактике, что это не проекция. И именно межзвездный газ той галактики «видит» этот рентгеновский источник.
Что, собственно, новым является – хотя в той теме, что мы обсуждаем, у Валеры, я знаю, другое мнение на природу этих объектов. Эта тема – даже не новейшая история, это просто текущая ситуация. Пока это все только в процессе понимания, или даже в начале понимания. Так вот, новым является то, что мы обнаружили градиент скорости в туманности.
Это яркое красное пятно – туманность в линии гелий-2. Одна часть туманности к нам приближается на 50 километров в секунду, а другая удаляется с такой же скоростью. Такое возможно только в случае, если это действительно SS433 или микроквазар, то есть имеется динамическое воздействие струй на межзвездный газ. Несмотря на то, что такие объекты были предсказаны, конечно же, сразу появились другие идеи. И альтернативная, самая интересная идея, что ультраяркие рентгеновские источники – это черные дыры промежуточных масс. Они предсказаны астрономами были давно. В принципе, они должны формироваться либо из первичных звезд, в самом-самом начале, когда еще Вселенная не прожила и процента своего времени – когда образовывались первичные, очень массивные звезды. Либо в шаровых скоплениях. Да, возможно, это черные дыры промежуточных масс. Почему нужна большая масса и почему промежуточная? У нас есть квазары – миллионы и миллиарды масс Солнца и есть микроквазары – несколько масс Солнца, а где черные дыры в тысячи масс Солнца?
В.С. Сто – тысяча масс Солнца.
С.Ф. И это конкурирующая идея: черная дыра промежуточной массы, в принципе, может тоже очень ярко излучать. Потому что очень большая масса. Валера считает, что..
В.С. Я могу сам рассказать. Дело в том, что в такой же двойной системе, в которой находится СС-433, может находиться черная дыра очень большой массы, 50 масс Солнца, сто масс Солнца. Ну, сто масс Солнца я загнул, конечно, 50. И если на нее будет сыпаться в режиме сверхкритической аккреции или близкой к ней вещество, она может излучать как раз 10 в 40-й эргов в секунду, те самые, которые нужны. Но там, правда, есть одно затруднение: дыра такой массы будет давать слишком мягкий рентгеновский спектр, не такой жесткий, как наблюдается. Здесь, на самом деле, если мы теорию дисковой аккреции будем более тонко рассматривать, можно сделать излучение таким жестким, каким оно наблюдается.
В объектах нашей Галактики, таких как Лебедь ХI, наблюдаются более жесткие спектры, чем следует из простейшей теории дисковой аккреции, то есть они переходят из одного состояния в другое, когда излучение идет главным образом в мягком рентгеновском диапазоне. Тогда в этом диапазоне они становятся очень яркими – такое мягкое излучение. Это сам аккреционный диск, оптически толстый, светит, как ему полагается по теории. Но иногда происходит переход в жесткое состояние, когда вся та же энергия примерно высвечивается, но в более широком диапазоне спектра, в более жесткой части, поэтому в мягком диапазоне спектра он подседает, как бы низкое состояние у него в этом диапазоне становится.
С.Ф. Ты объясни, если это черная дыра промежуточной массы, откуда 10 в 40-й эрг за секунду? И больше ничего не требуется.
С.Ф. Для одной массы Солнца критическая светимость – 10 в 38-й. Это если ты берешь просто сто масс Солнца, у тебя будет 10 в 40-й. Но 100 – много.
А.Г. Почему 100 – это много?
В.С. Потому что 100 – это верхний предел на массу современных звезд, они не могут существовать большей массы просто из-за того, что та же самая светимость, сверхкритическая, будет осуществляться уже в звезде.
А.Г. А первичные звезды могли быть большей массы?
В.С. Первичные звезды могли быть, наверное, и большей массы, да.
С.Ф. Это гипотетический объект, мы должны верить нашим наблюдениям. Накоплены терабайты наблюдений. Итак, самая массивная известная черная дыра – 14 масс Солнца. Я думаю, мы не можем говорить о 50 или о 100 массах Солнца.
В.С. Но, тем не менее, существуют теоретические сценарии, которые позволяют черной дыре иметь 50 масс Солнца. И если мы будем на нее сыпать гелий, а не водород, в котором давление излучения на эту систему гелия меньше в два раза, то выиграем двойку. Но если мы каллимацию сделаем не как у SS433 – только вдоль луча зрения практически, – а чуть-чуть побольше, то все равно на этом мы можем двойку, четверку выиграть, я думаю.
С.Ф. Я сторонник кардинальных мер. Хорошо. Одна из интереснейших особенностей таких объектов, что они чрезвычайно переменны, несмотря на фантастическую светимость. Это мы легко говорим: 10 в 40-й. А те, кто этим занимается, сначала со стула падали просто, считали, что такое невозможно. Они переменны на минутах, на часах.
В.С. Но они могут быть переменны и на секундах.
С.Ф. Как вы объясните, коллега, такую переменность?
В.С. Они могут быть переменны и на секундах. Дело в том, что…
А.Г. Простите, что я перебиваю ваш профессиональный спор, у нас очень мало времени осталось, вы все равно его не закончите. А нам интересно – не дразните нас.
У меня вот какой вопрос возник. Вы говорите о светимости в рентгеновских лучах. А сами наблюдаете с оптического телескопа. Вообще, у оптики есть будущее в наблюдательной астрономии? Или с тех пор как появились радиотелескопы, тем более такие, которые опоясывают всю Землю, по сути дела, или телескопы, выведенные за пределы вечно мешающей атмосферы, нам нет необходимости больше строить оптические телескопы на Земле?
С.Ф. У оптики есть будущее. И об этом говорит хотя бы то, что в развитых странах один из основных пунктов из затрат на астрофизику – это именно развитие оптических телескопов. Оптика достигла существенно лучших спектральных разрешений и возможностей, чем в рентгене или в радио, их нельзя противопоставлять. Без оптики, конечно, невозможна астрофизика. И опять же я говорю, что на Западе, в западных обсерваториях развиваются крупные оптические телескопы. И обязательно в нашей стране они должны развиваться. В частности, 6-метровый телескоп – это единственная обсерватория в нашей стране. Был несчастный случай, связанный с тем, что распался Советский Союз, и потеряны были обсерватории на юге. А наша обсерватория – в России, поэтому она выжила. И сейчас мы наблюдаем фактически на том же самом уровне, что и западные коллеги. У нас нет соревнования, мы даже с ними вместе делаем эти работы. Сейчас у нас существует даже проект улучшения этого телескопа, замены зеркала. Мы молимся, чтобы он получился. Сохранились кадры, и в связи с этим мы можем конкурировать и строить новую аппаратуру.
А.Г. К сожалению, все. Время закончилось. Но мы успели…