Стычка звездных ветров

С помощью космического телескопа XMM-Newton астрономам удалось зафиксировать столкновение звездных ветров двух очень необычных звезд. Понаблюдав их сближение, группа под руководством Марии Черняковой из Европейского космического агентства (ЕКА) пришла к выводу, что энергия составляющих звездный ветер частиц гораздо ниже, чем предполагалось раньше. Кроме того, новые данные опровергают прежние представления о механизме излучения системы.

На этой неделе ЕКА обнародовало результаты исследования двойной системы, состоящей из радиопульсара PSR B1259-63 и так называемой Be-звезды SS2883. Обе они активно выбрасывают вещество в окружающее пространство в виде так называемого звездного ветра. Система находится на расстоянии около 5 тыс. световых лет в путеводном созвездии Южного Креста, и ее можно частично различить даже в любительский телескоп.

Две звезды, интересные по отдельности
Обе звезды, входящие в состав двойной, весьма необычны. Более яркий, «нормальный» компонент является горячей звездой спектрального класса Be...

Как рассказал корреспонденту «Газеты.Ru» один из авторов исследования, доктор Саймон Джонстон из Австралийского астрономического центра в Сиднее, «уникальность PSR B1259-63 в том, что ее переменность можно наблюдать в очень широком диапазоне волн» – от радио- до гамма-излучения. И самыми важными оказались именно результаты тщательных рентгеновских наблюдений, которые были выполнены на европейском спутнике XMM-Newton.

Особенность двойной системы звезд состоит в крайней вытянутости их взаимной орбиты. Примерно каждые три с половиной года пульсар подходит очень близко к нормальной звезде. При этом пульсирующая компонента радиоизлучения начинает ослабевать, пока окончательно не тонет в резко вырастающем радиошуме. В дополнение к этому система начинает ярко светиться в рентгеновском диапазоне, а недавно были обнаружены и очень высокоэнергичные гамма-кванты, приходящие от того же источника.

Как предполагают исследователи, и радиошум, и рентгеновское излучение возникают из-за взаимодействия звездного ветра двух компонентов.

Поток вещества от нормальной звезды очень плотный, однако скорость его невысока. В то же время частиц, выбрасываемых пульсаром, не так много, зато скорость их огромна. При такой скорости за счет эффектов теории относительности масса выбрасываемых электронов возрастает в десятки и сотни раз.

При столкновении потоков от нормальной и нейтронной звезд образуются две ударные волны, в которых напряженность магнитного поля и плотность частиц значительно возрастают. Когда частицы проходят сквозь ударную волну, направление их движения резко изменяется, и вещество «растекается» в разные стороны вдоль ударного фронта.

При этом, как предполагалось ранее, ударная волна разгоняет электроны до еще более умопомрачительных скоростей, при которых их масса увеличивается в десятки и сотни тысяч раз, это уже намного тяжелее протона! Казалось, лишь так можно было объяснить рентгеновское излучение системы. Однако новые данные, полученные международной группой исследователей под руководством Марии Черняковой из Центра научных данных космической обсерватории «Интеграл» под Женевой и астрокосмического центра Физического института имени Лебедева, показали, что общепринятая теория не может быть верной.

Как рассказала «Газете.Ru» руководитель исследования Мария Чернякова, комбинация результатов наблюдений в разных диапазонах «позволила сделать вывод, что за рентгеновское излучение ответственны те же электроны, что вызывают радиоизлучение».

Их эффективные массы «всего» в сотню раз больше массы покоя.

Чтобы сделать этот вывод, астрономам сначала пришлось построить четкую геометрическую картину всей системы. Оказалось, что диск газа, истекающего с поверхности Be-звезды, значительно наклонен к плоскости орбиты системы и является достаточно толстым, простираясь примерно на 20º в обе стороны от экватора звезды. По мере приближения к главной звезде пульсар сначала погружается в вещество диска, а затем полностью скрывается за ним.

Кванты видимого света от нормальной звезды, натыкаясь изредка на быстрые электроны пульсарного ветра, получают от последних мощные «пинки». При этом их энергия возрастает в миллионы раз – свет превращается в рентгеновское излучение. Такой механизм излучения называется обратным эффектом Комптона.

Обнаруженное явление совсем не похоже на предыдущие представления о подобных процессах.

Раньше астрономы думали, что рентгеновское излучение возникает так же, как и радиоизлучение, – за счет быстрого вращения электронов вокруг магнитных линий. Только энергии электронов вблизи ударной волны гораздо больше, поэтому основная часть их излучения перемещается в рентгеновский диапазон.

Вместе с тем детальные исследования спектра системы опровергли такую возможность. Вместо ожидаемого «смягчения» спектра при сближении звезд ученые неожиданно увидели его «ужесточение», то есть относительная доля более энергичных фотонов становилась не меньше, а больше.

Спектральный анализ

Если бы за рентгеновское излучение была ответственен в тысячи раз более энергичный компонент звездного ветра, как предполагалось ранее, составляющие ее электроны теряли бы энергию, еще не успев покинуть зону столкновения. В результате в спектре было бы относительно много более мягкого рентгеновского излучения.

Группа Марии Черняковой зафиксировала, напротив, относительное увеличение более жесткого рентгеновского компонента. При этом механизмом излучения является как раз обратный Комптон-эффект: кванты видимого света от нормальной звезды увеличивают свою энергию при столкновениях с этими электронами.

Отказ от прежней теории позволил разрешить еще одну загадку, обнаруженную с помощью огромного стереоскопического телескопа HESS, недавно построенного в Намибии: максимум интенсивности высокоэнергичных гамма-лучей, наблюдаемых от системы, не совпадает с моментом максимального сближения двух звезд.

Это казалось очень странным, поскольку в прежней модели за это излучение тоже были ответственны сверхэнергичные электроны. Однако поскольку энергии их предполагались значительно более высокими, раздаваемые им «пинки» переводили кванты видимого света уже не в рентгеновский, а в гамма-диапазон. При этом максимум такого излучения будет наблюдаться тогда, когда быстрые электроны способны перехватить максимальную долю видимого света. Такое происходит именно при максимальном сближении звезд.

Согласно новой модели, «к росту излучения в гамма-диапазоне приводит взаимодействие пульсарного ветра с ветром Be-звезды», говорит доктор Чернякова. При этом моменты максимумов в гамма-диапазоне должны совпадать с моментом прохождения пульсара через самую гущу газового диска. В точности это и наблюдается.

Что же касается конкретного механизма возникновения этого излучения, то пока здесь не все ясно. В статье о результатах исследования, которая должна вскоре выйти в британском журнале MNRAS, предполагается, что за данное излучение могут быть ответственны протоны. Эти частицы также ускоряются пульсаром и при взаимодействии друг с другом и протонами диска вокруг Be-звезды испускают гамма-кванты. Электроны, впрочем, также вносят небольшой вклад. Вероятно, дальнейшие исследования позволят получить более точные представления о том, как работает механизм пульсара, считает Джонстон.

Как рассказала нам Мария Чернякова, «в данный момент мы работаем над более точной моделью системы, которая бы позволила нам сделать более точные выводы о составе пульсарного ветра». Однако эта работа еще «в процессе».