Микроквазары
SS433. Хорошо известный уникальный объект SS433 был выделен в обзоре звезд с эмиссией H Стефенсона и Сандулека в 1977 году, содержащем 455 объектов плоскости Галактики. SS433 оказался переменным нетепловым радиоисточником и переменным рентгеновским источником. В первых спектрах этого объекта были обнаружены яркие и переменные линии непонятного происхождения. Bruce Margon с коллегами удалось отождествить эти эмиссии с линиями водорода и нейтрального гелия, которые были смещены на десятки тысяч км/с в красную и голубую сторону по паре линий на каждый переход. Наблюдаемые огромные смещения линий не могли возникнуть за счет Зеемановского расщепления линий, было очевидно, что смещенные линии возникали за счет эффекта Допплера в движущемся газе. Выяснилось, что смещенные линии водорода и HeI возникают в двух противоположно направленных струях газа, эти струи периодически меняют свое положение в пространстве ("прецессируют"), что приводит к "движению" линий по спектру. Так начались интенсивные исследования SS433, двойной системы с уникальными свойствами.
Основным отличительным свойством SS433, выделяющим его среди других двойных звезд с релятивистским объектом, является то, что в SS433 реализуется непрерывный (не транзиентный) режим сверхкритической аккреции газа на релятивистскую звезду. При этом формируется сверхкритический аккреционый диск и узкие струи газа, распространяющиеся из внутренних областей диска перпендикулярно к его плоскости с релятивистской скоростью 79000 км/с. Второй компонент системы, звезда-донор, очевидно, переполняет свою критическую полость Роша, что обеспечивает мощный, ~/год, и примерно непрерывный темп перетекания газа в область релятивистской звезды. Фактически, ответ на вопрос о причине уникальности SS433 среди других массивных рентгеновских двойных звезд (с черной дырой или нейтронной звездой) заключается в выявлении причин столь высокого темпа переноса массы в SS433.
Интересно, что до сих пор не найдено никаких явных наблюдательных свидетельств наличия в системе SS433 ни собственно аккреционного диска, ни “нормальной” или “оптической” звезды. Тем не менее, исследователи не имеют никаких сомнений в присутствии этих двух тел в SS433. Связано это не только с имеющимся опытом исследования десятков тесных двойных рентгеновских систем с нейтронными звездами или черными дырами в качестве релятивистской звезды системы. Существует множество косвенных свидетельств и проявлений этих двух объектов. Все основные свойства SS433 хорошо описываются в рамках современных представлений о сверхкритическом режиме дисковой аккреции, впервые обсужденном Shakura and Sunyaev (1973).
Это тесная двойная, массивная, затменная система, орбитальный период равен дня. Хорошо наблюдаются затмения обоих тел в оптическом и ближнем ИК диапазонах и затмения оснований релятивистских струй в рентгеновском диапазоне. Источник струй (аккреционный диск или объект в центре диска) существенно ярче второго компонента звезды-донора. Аккреционный диск SS433 прецессирует, то есть меняет свою ориентацию в пространстве с периодом дня, струи повторяют прецессионное движение. Фактически в системе SS433 мы наблюдаем только плотный ветер, истекающий из аккреционного диска, две яркие области в центральной части диска, в местах выхода релятивистских струй. С наблюдательной точки зрения звезда в SS433 проявляется только как объект, который периодически затмевает аккреционный диск и газовые потоки, формирующие диск, отражает излучение ярких центральных областей, и возмущает ветер диска. Прецессия аккреционного диска кардинально меняет фотометричекие свойства (орбитальную кривую блеска) и заметно меняет спектральные свойства системы. В дальнейшем мы будем пользоваться термином “аккреционный диск”, понимая под этим не только собственно диск, который там должен существовать, но и ветер диска, а также термин “оптическая” или “нормальная” звезда, несмотря на то, что об этой звезде известно очень мало.
Опишем основные свойства релятивистских струй и аккреционного диска - машины, генерирующей струи SS433 - известные на данный момент, причем, главным образом, касаясь результатов наблюдений и их интерпретаций. Основная масса наблюдательных данных по SS433 была получена в первые годы исследований, во время “бума SS433”. Основные идеи и модели, объясняющие поведение SS433, также были высказаны в первые годы исследований. Во многом эти идеи получали подтверждение в последующих наблюдениях. Поэтому известные опубликованные обзоры по SS433 весьма ценны и сейчас. Мы отсылаем читателя к этим обзорам не только за данными об истории исследований SS433, объекта, сыгравшего и играющего сейчас принципиальную роль в современной астрофизике, но и по существу этих обзоров. Это обзор Margon (1984), подводящий итог пятилетнему исследованию объекта, обзор результатов фотометрических исследований Черепащук (1988), обзоры моделей SS433 и теоретических представлений Milgrom (1981) и Katz (1986). Результаты новых наблюдений, особенно рентгеновских обсерваторий и радиоинтерферометрии, а также численных экспериментов, конечно, внесли фундаментальный вклад в понимание SS433.
Параметры SS433. SS433, это же переменная звезда V1343 Aquilae, расположен на расстоянии 5 кпк, примерно в галактической плоскости. Это относительно яркая красная звезда ее звездная величина в полосе V=14.0. SS433 испытывает очень сильное поглощение света, истинная светимость объекта при предположении изотропного излучения составляет эрг/с. Это одна из самых ярких звезд Галактики, максимум излучения SS433 приходится на ультрафиолетовый диапазон. В инфракрасном диапазоне имеется избыток излучения. Избыток связан со свободно-свободным излучением газа в непосредственной окрестности системы. В рентгеновском диапазоне светимость SS433 около ~ эрг/с. Рентгеновское излучение в диапазоне 1-10 кэВ в основном определяется горячим (~ ) газом струй, появляющимся над фотосферой аккреционного диска.
В оптическом спектре SS433 кроме эмиссионных линий обеих струй, перемещающимися в соответствии с прецессионным и нутационным периодами, наблюдаются очень яркие и переменные “стационарные” линии водорода, HeI, HeII, CIII, NIII, а также более слабые эмиссии FeII. Последние, наряду с линиями HI и HeI, в определенные фазы прецессии показывают явные профили типа PCyg. Все эти линии формируются как в ветре, истекающем из аккреционного диска, так и в газовых потоках в системе. Линии нормальной звезды не были обнаружены вплоть до последнего момента, несмотря на неоднократные попытки исследователей, однако, самые последние данные показывают, что звезда-донор в SS433 является проэволюционировавшим сверхгигантом типа A.
Излучение SS433 весьма переменно во всех изученных диапазонах спектра. Кроме спорадической переменности (вспышек), наблюдаются активные и спокойные состояния. В спокойных состояниях в оптике, ИК и рентгеновском диапазонах наблюдается переменность с орбитальным и прецессионным периодами. В активных состояниях, которые длятся от 30 до 90 дней, средний блеск объекта повышается примерно в 1,5 раза, на этом фоне наблюдаются мощные вспышки с характерным временем часы - дни, при этом SS433 “краснеет”, т. е. усиливается обмен и истечение газа из системы. Особенно наглядно активные периоды видны в радиоданных, где имеются длинные ряды наблюдений.
Струи SS433. Самое удивительное явление в SS433 - это струи. В зависимости от расстояния от источника, или от температуры струй, механизма излучения и, соответственно, методов наблюдений мы будем различать рентгеновские струи (~ cm), оптические струи (~ cm), радиоструи ( cm), наблюдаются также протяженные рентгеновские струи ( cm). Однако, это деление несколько условно, например, радиоизлучение струй наблюдается практически на всем протяжении оптических струй.
В оптических спектрах струи проявляются и “движущиеся” эмиссионные линии водорода, и HeI. Линии перемещаются по спектру, из-за изменения наклона струй к лучу зрения в связи с прецессией. Струи удивительно узкие, их раствор в том месте, где излучаются линии водорода (расстояние соответствует 1-3 дням полета), равен . В оптических струях движутся облака газа с нормальной “астрофизической” температурой ~10000 . Для поддержания излучения газа в оптических струях необходим источник постоянного нагрева газа. Рентгеновские струи короткие (всего несколько сотен секунд полета), в них излучаются линии высокоионизованных, тяжелых элементов. Рентгеновское излучение струй формируется в горячем газе (T~ ), охлаждающемся по мере распространения струи за счет расширения и излучения. Раствор рентгеновских струй равен . Газ струй SS433 летит по строго баллистическим траекториям. Поток кинетической энергии или кинетическая светимость струй огромна, эрг/с.
В радиодиапазоне на масштабах несколько угловых секунд наблюдается знаменитая картина прецессирующих струй. Светимость эрг/с, механизм излучения синхротронный. На “масштабах VLBI” также хорошо видны струи вплоть до предела разрешения около 2 mas, где во внутренней области ~ 20 а.е. уже сильны эффекты самопоглощения радиоизлучения. Струи SS433 возбуждают радиотуманность W50, весьма похожую на остаток сверхновой. W50 вытянута в направлении оси прецессии струй с SS433 в центре, туманность простирается по обе стороны в этих направлениях до 50-70 пк. В этих же направлениях распространяются протяженные рентгеновские струи, которые заканчиваются оптическими волокнами.
“Кинематическая модель” SS433 очень хорошо предсказывает положение струй в пространстве и положения линий по спектру. Это геометрическая модель прецессии струй. Кроме прецессионного движения струи совершают так называемые нутационные колебания малой амплитуды с периодом 6.28 дня, который равен половине синодического орбитального периода. Нутационные качания струй (аккреционного диска) вызваны периодическими приливными возмущениями диска гравитационным полем истекающей звезды, либо возмущениями аккреционного потока. При этом наиболее успешным сценарием прецессии в SS433 является вынужденная прецессия звезды-донора, ось вращения которой не совмещена с осью орбиты, и плавающий или “ведомый” аккреционный диск.
Сейчас было бы преувеличением сказать, что “загадка SS433” разрешена; во многих проблемах, особенно касающихся формирования струй и внутренней структуры центрального объекта, самые интересные работы, вероятно, еще впереди. Однако, прогресс в понимании SS433, уже достигнутый, удивляет не меньше, чем сам SS433. Этот объект оказал огромное влияние на астрофизику, как в понимании критических стадий эволюции тесных двойных систем, так и понимании струй, выбрасываемых из молодых звезд, активных ядер галактик и микроквазаров. Последние являются самыми близкими родственниками SS433. Главным, но далеко не единственным, отличием SS433 от микроквазаров или некоторых рентгеновских новых, у которых возможны сверхкритичекие эпизоды аккреции в момент вспышки, является постоянный существенно сверхкритичекий режим аккреции на релятивистскую звезду. SS433 до сих пор единственный объект звездной массы, в котором мы можем непосредственно наблюдать работающий сверхкритический аккреционный диск, процесс выброса и распространения струй. Более того, этот диск (а также все газовые потоки в системе, ветер из диска и струи) постоянно разворачивается с периодом прецессии, затмевается с орбитальным периодом, это настоящий подарок для исследователей, уникальная лаборатория. Две струи SS433 должны быть тождественны друг другу, но часто выглядят весьма по-разному. Меняя свою ориентацию, струи также предоставляют замечательные возможности для исследований поведения газа на релятивистских скоростях и собственно релятивистских эффектов.
Микроквазары. Кратко опишем свойства микроквазаров, как самых близких родственников SS433, а также других объектов - ультраярких рентгеновских источников во внешних галактиках, которые, вероятно, имеют непоспедственное отношение к SS433 и микроквазарам. Заметим, что современая литература по микроквазарам весьма обширна.
Микроквазарами считаются рентгеновские двойные звезды с релятивистскими струями. Прототипом микроквазаров, вероятно, следует считать SS433, так как впервые, у этого объекта были обнаружены релятивистские струи. Однако, название “микроквазар”' впервые было применено к рентгеновской двойной ScoX-1, имеющей радиоструи. Радиоизображения некоторых рентгеновских двойных с релятивистскими выбросами и радиоярких квазаров (и радиогалактик) настолько подобны, что без дополнительных данных их невозможно отличить. Поэтому сам термин “микроквазар”' в первую очередь должен был подчеркнуть морфологическое подобие радиоструктур этих объектов. Массы черных дыр в микроквазарах составляют несколько солнечных масс, что в миллионы, десятки миллионов раз меньше массы квазаров (сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик).
Под микроквазарами, как правило, понимаются рентгеновские двойные с нейтронными звездами или черными дырами, у которых обнаруживается струйная радиоактивность. Этот класс сейчас включает чуть менее 20 объектов классифицируемых как микроквазары, и около десятка кандидатов. Например, известная массивная рентгеновская двойная CygX-1 также является микроквазаром. Считается, что с аккреционной активностью всегда связана струйная активность, однако разнообразие объектов несколько размывает сам класс микроквараров.
Можно говорить о “классических” микроквазарах - GRS1915+105 и GROJ1655-40. Обе рентгеновские двойные содержат черные дыры с массами, соответственно, ~14 М и М. Класические микроквазары являются "сверхсветовыми" синхротроными радиоисточниками. Скорость струйных выбросов в них 0.92-0.98 скорости света. Они являются транзиентными объектами, т.е. струи выбрасываются в определенные моменты активности, время жизни радиовыбросов в струях составляет от нескольких дней до нескольких недель. В активных состояниях рентгеновская светимость существенно повышается. Весьма вероятно, что струи в этих микроквазарах лептонные (в отличие от SS433), т. е. непосредственно во внутренних областях вокруг черной дыры происходит ускорение и коллимация релятивистских частиц. В момент формирования релятивистского выброса (на интервале времени несколько минут) наблюдается инфракрасное синхротронное излучение. Это, а также особенности поведения рентгеновского излучения во вспышке говорит о том, что в отличие от SS433 сама область генерации струи вполне открыта для наблюдений. Возможно, будет обнаружено оптическое синхротроное излучение при образовании струи.