"Диалоги (ноябрь 2003 г.)" - читать интересную книгу автора (Гордон Александр)

Микроквазары

Участники:

Фабрика Сергей Николаевич – доктор физико-математических наук

Сулейманов Валерий Фиалович – кандидат физико-математических наук

Александр Гордон: …это явление было названо, но подробно не описано. Поскольку сегодняшняя тема подразумевает, что сначала надо дать дефиницию квазаров, с этого, пожалуй, и начнем.

Сергей Фабрика: Квазары – это черные дыры, которые находятся в ядрах галактик. И массы этих черных дыр – от миллиона до миллиардов масс Солнца. Можно сказать, что почти каждая галактика имеет в ядре такую черную дыру, но не каждая черная дыра светится и становится очень ярким источником.

Валерий Сулейманов: Это от «топлива» зависит, которое поступает на эту черную дыру. От количества падающей на нее материи.

С.Ф. Да, то есть энерговыделение квазара зависит от структуры галактики. Некоторые квазары, наиболее активные, их всего несколько процентов, являются источниками радиоструй. Наблюдаются струи, струйные выбросы, они наблюдаются с помощью радиотелескопов. А микроквазары – черные дыры в тесных двойных системах, массы которых – всего несколько солнечных масс, что примерно в миллионы раз меньше. Было как-то естественно назвать их микроквазарами, хотя мне это определение не нравится, оно несколько филологичное. И еще, если вы на радиотелескопе получили картинку, и смотрите, вы в принципе не отличите, это квазар или микроквазар.

В.С. Дело в том, что от них тоже есть струи, такие же как от настоящих квазаров, просто масштабы их соответственно меньше.

А.Г. И они не обязательно должны находиться в центре галактики, достаточно двойной системы.

В.С. Да, да. Но самое главное, что они потому неотличимы, что они ближе к нам находятся, в нашей Галактике, поэтому масштаб изображения на фоне, в картинной плоскости такой же получается, как у квазаров далеких – они большие, но зато далеко. А здесь маленькие, но близко. Поэтому масштаб одинаковый и выглядят они одинаково.

А.Г. Значит ли это, что мы можем наблюдать микроквазары, которые находятся только в нашей Галактике?

С.Ф. Нет, не значит. Микроквазаров не так много, известно около 20. И поэтому мы выходим в другие галактики, где они более слабые из-за того, что расстояние больше, чтобы искать подобные объекты, и об этом будет определенная речь. Принципиально важно, что черная дыра, чтобы она была наблюдаема, должна подпитываться газом. В микроквазарах – это тесные двойные системы с черной дырой – происходит перетекание газа с одного компонента на второй.

В.С. То есть с одной звезды, нормальной, которая расширилась до того момента, когда, собственно говоря, сила притяжения на поверхности этой звезды равна силе притяжения к черной дыре. Поэтому получается растаскивание, газ перетаскивает прямо с поверхности звезды к черной дыре.

С.Ф. А в недрах галактик подкормка происходит за счет того, что газ в галактике за счет трения медленно стекает к центру.

В.С. Или при взаимодействии двух галактик, что тоже очень вероятно, круговое движение газа нарушается и он может попасть на черную дыру.

С.Ф. От этой подкормки зависит светимость четной дыры. Сколько падает граммов за секунду в центр, на черную дыру, столько и высветится, соответственно, около черной дыры (Валерий более подробно расскажет об этом через минуту), высветится около 6-10 процентов от «эм-це-квадрат». Это огромное энерговыделение и огромное КПД, потому что если сравнить с термоядерными или с ядерными источниками энергии – это в десятки раз больше, более эффективно. Микроквазары – это не только черные дыры, ярчайшие рентгеновские источники, это объекты, выбрасывающие струи. Далеко не все черные дыры в двойных системах так себя ведут. Считается, что для того чтобы появились струи, релятивистский объект должен быть, во-первых, черной дырой. В крайнем случае, нейтронной звездой без сильного магнитного поля, чтобы магнитное поле не поломало аккреционный диск (на картинке как раз аккреционный диск), чтобы газ дошел буквально до центра, до радиуса Шваршильда, тогда появляется возможность выброса струй.

В.С. Здесь на картинке мы можем видеть как раз ту систему, которую мы долго описывали, тесную двойную, где с нормальной звезды идет струя вещества и бьет на черную дыру. И вещество закручивается в кольцо, в диск вокруг черной дыры, потому что оно не может прямо на него упасть из-за того, что происходит вращение системы вокруг общего центра масс. Вещество должно как-то терять свой угловой момент, как спутник-ракета вокруг Земли крутится, и чтобы упасть на нее, на Землю, нужно затормозиться, потерять угловой момент, и здесь точно также. В диске потеря углового момента происходит из-за трения соседних слоев, вращающихся с разной скоростью. При этом выделяется очень большая энергия.

А.Г. Простите, еще один вопрос. А где находится центр массы такой системы, потому что ведь черная дыра…

В.С. Центр массы зависит от массы черной дыры. Нормальная звезда – порядка массы Солнца, наверное, в так называемых маломассивных рентгеновских двойных, или больше гораздо, если это рентгеновская двойная большой массы.

С.Ф. Центр массы посередине.

В.С. Это зависит от массы компонентов, где-то между ними находится. Если массы равные, то посередине, и чем больше масса черной дыры по сравнению с массой звезды, тем ближе к черной дыре.

С.Ф. Механизм ускорения струй.

В.С. Сейчас такие струи, которые мы видели на предыдущей картинке, которые сейчас видим, наблюдаются практически у всех объектов с аккреционными дисками. Поэтому механизмов ускорения струй, скорее всего, несколько. Их, как минимум, известно три. Просто гидродинамические, когда избыточное давление падающего вещества выбрасывает, выталкивает газ перпендикулярно диску в молодых звездах, когда давление излучения, давление света просто выталкивает газ при сверхкритической аккреции, но об этом мы немножко позже поговорим. Или электромагнитный механизм. То есть когда магнитным полем ускоряются частицы, и бьют такие две струи.

А.Г. Верните предыдущую картинку, я хочу уточнить о чем идет речь. Вот эта вертикальная голубая струя…

В.С. Голубые объекты – это и есть струи. А желтенький вокруг – это ветер, просто оттекающий от диска, с меньшей гораздо скоростью.

С.Ф. Центральная часть аккреционного диска более горячая, здесь художник это изобразил голубым, синим цветом.

А.Г. И энергия вертикального потока этих струй, которые выбрасываются, гораздо больше, чем энергия газа, который падает?

В.С. Нет.

А.Г. Тогда за счет чего достигается ускорение?

В.С. Дело в том, что энергии же не может взяться больше, чем она поступила. Поэтому источником энергии является гравитационная энергия падающего вещества. Ее, естественно, должно быть больше, чем энергии оттекающих струй.

А.Г. Понял, спасибо.

С.Ф. Можно так сказать, что там работает очень грубая и поэтому правильная формула для потенциала, или для энерговыделения: в числителе масса, в знаменателе – радиус. Масса – это масса черной дыры или центрального объекта. А радиус – это радиус по диску. И ясно, что чем ближе подходит газ к черной дыре – радиус меньше в знаменателе, получается больше энерговыделение. Там диск разогревается до огромных температур.

В.С. Миллионы градусов.

С.Ф. И существуют специфические механизмы, в частности, электромагнитный, когда вращающаяся черная дыра закручивает вокруг себя пространство, образуются магнитные поля, тороидальное магнитное поле, а электрическое поле направлено по оси вращения. Оно ускоряет заряженные релятивистские частицы – струи.

На предыдущей картинке были показаны как раз результаты наблюдения этих струй. Это знаменитый микроквазар, так называемый gamma-ray source GRS 1915+105. Его последовательно наблюдала группа Ральфа Спенсера, это европейская сеть радиотелескопов со сверхдлинными базами. Масштаб здесь – миллисекунды дуги. Последовательно слева направо видна эволюция струй, после того как они были выброшены. Это картинки были получены через дни. Где-то там слева, соответственно, не нарисован источник. И линии проведены так, что видно, что облака плазмы распространяются по баллистическим траекториям. В этих объектах наблюдаются так называемые сверхсветовые скорости. Об этом, вероятно, в ваших передачах не говорилось. Скорость больше, чем скорость света, запрещена. Но в космосе эти вещи наблюдаются. Это чисто релятивистские эффекты. Если источник движется примерно на наблюдателя со скоростью около скорости света, то сам источник и кванты, излученные им (они движутся со скоростью света), – все движется примерно со скоростью света. То есть весь этот фронт не так уж далеко распространяется. Вся информация приходит к нам сжатой во времени. Таким образом, объект мог 10 лет излучать, 10 лет двигалась эта струя. А мы наблюдаем всю картину за 10 дней. Перед нами картинка ускоренно разворачивается.

В.С. Мы делим на 10 дней, хотя делить надо на 10 лет.

С.Ф. Такие сверхсветовые скорости наблюдаются в радиодиапазоне, они наблюдаются и в квазарах, и в микроквазарах. Кстати, хотел сказать, что где-то в начале 70-х годов, когда открыли сверхсветовые скорости, был большой шум. Люди, вероятно, не очень грамотные, говорили, что Вселенная слишком большая, надо ее сжать. Мол, мы неправильно представляем масштабы Вселенной – нельзя же двигаться быстрее скорости света! Но в работах наших астрофизиков, а именно, в первую очередь, Виталия Лазаревича Гинзбурга, это 60-е годы, а также гениального астрофизика Мартина Риса из Кембриджа, такие вещи уже были предсказаны. И быстро довольно было понято, что это релятивистские эффекты. Релятивистские эффекты, вообще, очень красивы и необычны.

В.С. Связано это с тем, что свет, с какой бы скоростью не двигался источник света, все равно имеет скорость света. Летит источник, скажем, 0.99 от скорости света, испускает свет. И свет впереди источника чуть-чуть только идет. Относительно нас он тоже со скоростью света двигается. То есть он летел-летел, выстрелил что-то из себя, и летит вслед за ним, и еще раз выстрелил, то есть он может 10 лет лететь, потом выстрелить, а кванты к нам приходят от этих двух вспышек спрессованные, через очень небольшой промежуток времени.

С.Ф. Здесь картинка нашего телескопа. Это 6-метровый оптический телескоп в горах Северного Кавказа. Специальная астрофизическая обсерватория, институт Академии наук. Здесь, на этом телескопе, проводятся наблюдения, в частности, микроквазаров, но это далеко не единственная тема. Это фотографии Владимира Романенко, и дальше будут, может быть, фоном показаны картинки нашей обсерватории. Ближе к концу нашего рассказа мы покажем конкретные результаты по этим объектам. Можно следующую картинку?

С.Ф. Вот, пожалуйста, так взорвался тот же микроквазар GRS1915+105. Эта картинка обошла весь мир, ее автор – Филипп Мирабель, он и придумал это название для микроквазаров. Они с соавтором, Родригерсом, наблюдали это явление. По горизонтальной оси идет время. Частокол – это рентгеновское излучение, так объект пульсирует прямо за несколько минут. Вдруг рентгеновское излучение (черная кривая верхняя), резко ослабляется, считается, что это освобождается внутренняя часть аккреционного диска. И возникает всплеск инфракрасного, а потом и радиоизлучения. Здесь формируются релятивистские частицы, которые излучают синхронным образом, двигаясь в магнитных полях. Частицы движутся в струе, это и есть сама струя. Там есть так называемый мягкий спайк, – быстрый-быстрый всплеск рентгеновского излучения, в этот момент как раз и запускаются струи.

Синхротронное излучение – здесь тоже наши советские астрофизики много сделали, тот же самый В.Л.Гинзбург, а также уникальный астрофизик Шкловский Иосиф Самуилович. Синхротронное излучение было ими предсказано, точнее, было предсказано, что оно должно быть очень распространенным в космосе. И струи микроквазаров – в среднем, а может и у всех, – излучают за счет синхротронного излучения выброшенных релятивистских электронов, позитронов – лептонов. Примерно так это выглядит. Как выясняется, во всех микроквазарах, а также в уникальном микроквазаре SS433, к которому мы скоро переходим, тоже перед вспышкой происходит ослабление рентгеновского излучения, то есть как-то выбрасывается вещество из внутренних частей аккреционного диска.

Эта последняя картинка тоже про микроквазары, их наблюдал Роберт Джеллминг. Роберт Джоуминг – уже покойный, был прекрасный американский астрофизик. На левой картинке показан взрыв в микроквазаре V4641, это звезда Горанского. Наш астроном, Виталий Горанский, ее открыл. Объект взорвался, через несколько часов выброшенная струя – мы видим ее как вытянутую структуру – пролетела три орбиты Плутона со скоростью около скорости света. И еще через полчаса уже видно, как начинает слабеть ядро, то есть релятивистские электроны высвечивают свою энергию, и на следующей день почти все уже ослабло. Это струи микроквазаров.

В.С. Это явление связано как раз со сверхкритической аккрецией. Дело в том, что если слишком много вещества падает на черную дыру и слишком много энергии вырабатывается, возникает такой эффект, что сила давления излучения на вещество начинает превосходить силу притяжения. Обычно вещество – это водород, протон и электрон. Протон притягивается к черной дыре, а на электрон действует сила давления света, и они борются друг с другом, кто сильнее. И есть некий критический темп выработки энергии, а здесь он определяется темпом падения вещества, темпом аккреции, при котором сила давления света начинает превышать силу притяжения на протон, и избыточное вещество начинает просто выбрасываться. И при этом осуществляется самый высокий и эффективный темп энерговыделения. Скорее всего, этот микроквазар, эта вспышка и была именно сверхкритической. Наши астрофизики…

С.Ф. Ревнивцев, Гильфанов и Сюняев.

В.С. …Установили, что это сверхкритический режим.

С.Ф. Это называется «сверхкритический транзиент».

А.Г. А можно предсказать следующую вспышку, связанную со сверхкритическим транзиентом?

В.С. К сожалению, мы не знаем механизмов, которые запускают эту вспышку в этих микроквазарах, но сейчас активно идет работа в этом направлении.

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…