"Нам тайны нераскрытые раскрыть пора…"

Совсем скоро астрономы КФУ примут участие в масштабном научном проекте, результатом которого может стать получение массы новой информации об устройстве Вселенной.

Как рассказал профессор кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ, заведующий  лабораторией «Рентгеновская астрономия»  Ильфан Бикмаев, сегодня ряд студентов-старшекурсников ИФ проходят подготовку к участию в исследованиях, которые будут проводиться в рамках проекта «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр-РГ»).

Концепция этой орбитальной астрофизической обсерватории, предназначенной для изучения Вселенной в гамма- и рентгеновском диапазоне энергий (0,5—30 килоэлектронвольт, или кэВ) была сформирована несколько лет назад  учеными из Института космических исследований РАН (Москва) совместно с немецкими коллегами (научный руководитель  проекта от РФ - академик Рашид Сюняев). «Сердце» обсерватории – сверхчувствительный (его возможности в 40 раз выше характеристик спутника «ROSAT») рентгеновский телескоп «eRosita» с оптикой косого падения и большой площадью детекторов (производство – Германия) и российский рентгеновский телескоп ART-XC, размещенные на российской спутниковой платформе «Навигатор». На космическую орбиту (1.5 млн км от Земли) его выведет российская же ракета-носитель в 2017 г.

Основная задача «Спектра-РГ» - обзор космического пространства в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного спектра, поиск доселе неизвестных скоплений галактик, изучение вспышек сверхновых звезд и галактических ядер, а также, что особенно важно, исследования таких загадочных объектов, как черные дыры и нейтронные звезды. Ученые предполагают, что в ходе этой научной работы будет открыто несколько миллионов новых активных ядер галактик и до 100 000 новых скоплений галактик.

Так будет выглядеть международная рентгеновская обсерватория, запуск которой пройдет в 2017 г.

Ильфан Бикмаев пояснил: «Проект «Спектр-РГ» масштабен – для России он имеет государственный уровень. Дело в том, что рентгеновские обсерватории - очень дорогие финансовые проекты – отдельным, даже крупным, организациям в одиночку запустить их в космос не по силам. А на Земле рентгеновскую обсерваторию не расположить - земная атмосфера не пропускает рентгеновские лучи из космоса, поэтому улавливающие их телескопы могут располагаться только на искусственных спутниках, находящихся на космической орбите». Рентгеновские телескопы нуждаются в наземной оптической поддержке. Ее будут выполнять казанские астрономы на телескопе РТТ-150, установленном в Турции.

Что касается подготовки наших будущих исследователей глубокого космоса в рентгеновском диапазоне, то ведется она не на пустом месте. Ильфан Бикмаев рассказал, что по «Программе повышения конкурентоспособности КФУ» в 2014 г. в Институте физики была создана лаборатория «Рентгеновская астрономия», в которой исследуются многие чрезвычайно интересные космические объекты. Это, например, белые карлики в двойных звездных системах, которые становятся сверхновыми типа Ia (при их изучении  обнаружено ускоренное расширение Вселенной из-за влияния неизвестной пока  «темной» энергии) и внезапно вспыхивающие черные дыры в двойных звездных системах, называемые «Рентгеновскими транзиентами». Кроме того, активное участие в подготовке будущих исследователей рентгеновского излучения космических объектов принимают выпускник alma mater, сотрудник Специальной астрофизической обсерватории РАН, профессор Сергей Фабрика, его аспирант Александр Винокуров, а также ведущий научный сотрудник Института астрофизики им. Макса Планка (Германия) профессор Марат Гильфанов. Они и будут обучать наших студентов.

Справка: темная энергия - вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить наблюдаемый в ней процесс ускоренного расширения. Существует 2 объяснения сущности темной энергии: это неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной, и динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Сверхновая звезда или вспышка сверхновой - возникающий в конце эволюции некоторых звезд процесс, сопровождающийся выделением значительной энергии. Представляет собой резкое (на 4-8 порядков) изменение  яркости звезды (с выделением огромного количества энергии) с последующим более медленным затуханием.

Белый карлик – проэволюционировавая звезда с равной или превосходящей Солнце массой, но с в 100 раз меньшим радиусом.

Нейтронная звезда - один из конечных продуктов эволюции звезд. Состоит, в основном, из нейтронного ядра, покрытого сравнительно тонкой (примерно 1 км) корой тяжелых атомных ядер и электронов. Масса нейтронных звезд сравнима с массой Солнца, но радиус - всего 10-20 км.

Черная дыра - область в пространстве и времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что ее не могут покинуть даже фотоны. Химический состав и строение черных дыр пока неизвестны.

Эти ученые уже накопили немалый опыт исследований рентгеновского излучения космических объектов, в частности, расположенной в нашей галактике черной дыры SS 433.  О результатах этих исследований рассказывается в статье «Сверхкритические аккреционные диски в ультраярких рентгеновских источниках и объекте SS 433» («Supercritical accretion disks in ultraluminous X-ray sources and SS 433»), недавно опубликованной в авторитетном научном журнале «Nature Physics» с импакт-фактором IF = 20 (Сергей Фабрика и Александр Винокуров – соавторы этой статьи).

Об объекте исследований, а также о том, насколько эти исследования важны для науки, рассказывает Сергей Фабрика (на фото справа):

- Что представляет собой космический объект SS 443 и чем он интересен для ученых?

- Это черная дыра, масса которой примерно в 10 раз превышает массу Солнца. SS 443 образует двойную систему с нормальной звездой, причем, они расположены очень близко друг от друга – расстояние между ними в 3 раза меньше расстояния от Земли до Солнца. Нормальная же звезда в этой двойной системе в 30 раз больше Солнца.

Интересна черная дыра SS 443 тем, что при таких обстоятельствах она, в силу своей колоссальной гравитации, притягивает с поверхности звезды-соседки газ. Из-за сохранения момента вращения, вокруг черной дыры возникает вращающийся газовый диск, который называется аккреционным. Поток, перемещающийся с поверхности звезды в аккреционный диск, выделяет огромное количество потенциальной энергии. Из-за этого черная дыра SS 433 очень ярко «светит» - примерно в 3 млн. раз ярче, чем Солнце. Кроме того, аккреционный диск испускает рентгеновское излучение.

Но не это главное. Только в нашей галактике Млечный Путь сейчас известно около 40 черных дыр (SS 433 – из их числа), расположенных в двойных системах – в парах со звездами. И все они - мощные источники рентгеновского излучения. Но исследуемая нами черная дыра уникальна тем, что ее аккреционный диск - сверхкритический (или сверх-Эддингтоновский). Он возник потому, что материя с  соседней гигантской звезды перетекает в аккреционный диск черной дыры очень мощным потоком: 6 миллионов миллиардов тонн в секунду (за 11 дней это составляет массу Земли).

С таким потоком массы черная дыра не справляется и вокруг нее возникает сверхкритический аккреционный диск.  Он отличается от обычного тем, что избыточный газ раскаляется в нем до нескольких десятков миллионов градусов, а затем с огромной скоростью выбрасывается в космическое пространство через колоссальную воронку, возникающую на оси диска.

При этом возникает такой парадокс: астрофизики знают, что есть сверхкритические аккреционные диски, но не имеют прямых доказательств того, какие процессы в них происходят: черные дыры полностью закрыты газом. Единственный признак сверхкритической аккреции – мощный «фонтан» раскаленного газа, извергаемый черной дырой со скоростью, равной четверти от скорости света.

Справка: аккреция - процесс приращения массы космического объекта за счет гравитационного притяжения к нему материи из окружающего пространства.

Аккреционные диски образуются в результате перетекания газа в двойных звездных системах, а также в квазарах. Его «потребителем» может быть не только черная дыра, но и любая компактная звезда – нейтронная или белый карлик. «Донор» - звезда-компаньон. В результате аккреции ее жизнь несколько сокращается.

Сверхкритические аккреционные диски могут формироваться не только вокруг черных дыр, но и около нейтронных звезд. Это происходит, когда темп аккреции вещества превышает критическое значение, называемое пределом Эддингтона (поэтому такие диски еще называют сверх-Эддитгтоновскими). При этом звезда находится в состоянии равновесия: не сжимается и не расширяется.

При сверхкритической же аккреции сила давления излучения превышает силу гравитационного притяжения, поэтому из окружающих черную дыру или нейтронную звезду областей мощным потоком истекает звездное вещество.

Впервые теоретическое описание сверхкритической аккреции дали в 1973 году советские ученые Н.Шакура и Р.Сюняев.

- Решению какой научной проблемы способствовали исследования, о которых рассказывается в статье?
 
- 15 лет назад был открыт новый класс рентгеновских источников во внешних галактиках, названный ультраяркими рентгеновскими источниками (Ultra-luminous X-ray sources, ULX). Каждый из них светит в рентгеновском диапазоне в десятки миллионов раз больше, чем полная светимость Солнца.

Эти источники были предсказаны российскими астрофизиками из нашей исследовательской группы на основании аналогии с черной дырой SS 433. Но она ориентирована так, что мы не видим канала (воронки) в сверхкритическом аккреционном диске. А новые объекты ULX могут быть ориентированы по-разному. Если мы видим канал, то обнаруживаем ультраяркий рентгеновский источник.

Долгое время из этих 15 лет считалось, что ULX - объекты нового типа, так называемые черные дыры промежуточных масс. Они, как предполагалось, возникли из первых звезд, массы которых составляли от сотен до десятков тысяч масс Солнца. Это не те черные дыры, которые возникли в результате эволюции звезд (около 10 масс Солнца), и не те, что наблюдаются в ядрах галактик и квазарах (от миллионов до миллиардов масс Солнца), а что-то промежуточное между ними. Было много разных доказательств того, что ULX - долгожданные черные дыры промежуточных масс.

Но мы решили побороться за нашу идею, ведь, все-таки, именно мы предсказали ULX на основе сверхкритического аккреционного диска SS 433. Мы решили получить оптические спектры ULX, что оказалось чрезвычайно трудной задачей - они очень слабые в оптическом диапазоне из-за расположенности в других галактиках. Мы заказали наблюдения объектов ULX на превосходном японском 8-метровом телескопе «Subaru» (Гавайские острова, США) и получили спектры 4 ближайших ULX.

К этому времени доугие наши коллеги-астрофизики на телескопах класса 8-10 метров получили спектры еще 3 таких объектов. Мы обнаружили, что все объекты ULX по типу оптического спектра оказались подобны SS 433. А их рентгеновское излучение так же коллимировано (Коллимация - это когда лучи света идут почти параллельно друг другу – прим. авт.) в канале сверхкритического аккреционного диска - по типу прожектора. 

Получилось, что вместо одного объекта со сверхкритическим аккреционным диском – черной дыры SS 433, мы сегодня знаем уже десятки – это объекты ULX. Кроме того, теперь мы можем изучать сверхкритические аккреционные диски под разными углами зрения, в разных двойных системах, и при разных темпах падения газа со звезды-соседки на черную дыру.

 - Какое значение это имеют для астрофизики?

- Сверхкритический режим аккреции на черные дыры принципиально важен для астрофизики. В первые полмиллиарда лет после рождения нашей Вселенной, в центрах молодых галактик стали появляться и расти сверхмассивные черные дыры - квазары. За это время они набрали огромную массу  - в несколько миллиардов раз большую, чем Солнце. Такое возможно только в режиме сверхкритической аккреции.

Справка: квазар - один из самых ярких в видимой Вселенной астрономический объект. Его мощность излучения иногда в тысячи раз превышает суммарную мощность излучения всех звезд целой галактики – такой, например, как наша.

Наблюдать быстрый рост квазаров пока не удается, так как при этом выбрасывается столько газа и пыли, что самого квазара не видно. Однако, в нашей галактике Млечный Путь есть микрокопия молодых квазаров – черная дыра SS 433, а также объекты ULX в других галактиках. Да, массы квазаров в миллионы и миллиарды раз больше, чем массы SS 433 или ULX (черные дыры «ранжируются» по массам, размеры же прямо пропорциональны им), но физические процессы, особенно в режиме сверхкритической аккреции, почти не зависят от масс - это определяется конечностью скорости света. Соответственно, мы уже можем делать определенные предположения о раннем росте квазаров. Именно поэтому так важно изучать эти объекты.

- Будут ли продолжаться эти исследования, и какие результаты от них ожидаются?

- Конечно, мы намерены продолжать исследования - такое перспективное направление нельзя бросать! Мы хотим продолжить изучение SS 433 и ULX в рентгеновском диапазоне. Здесь нам важно понять процессы падения газа на черную дыру и формирования струи, которая выбрасывается из канала. Мы прямо видим канал в сверхкритическом аккреционном диске и саму черную дыру, но происходящее там – пока «тайна за семью печатями».

- Какова роль астрофизиков из КФУ в уже проведенных и будущих исследованиях?

- В лаборатории «Рентгеновская астрономия» Института физики есть сотрудники, которые очень глубоко разбираются в теме, причем не только в предсказании и понимании сверхкритичеких аккреционных дисков. Их знания и опыт окажут неоценимую помощь нашим исследованиям!

Таким образом, проект «Спектр-Рентген-Гамма» существенно пополнит сокровищницу накопленных человечеством знаний о происхождении и развитии Вселенной. И замечательно, что в добыче интеллектуальных драгоценностей примут участие специалисты из КФУ.

В ближайшее время вниманию читателей будет предложено интервью с Ильфаном Бикмаевым, в котором он подробно рассказывает об особенностях исследований космических рентгеновских источников. Беседа содержит массу интересной информации, способную сделать любой аккреционный диск сверхкритическим!