Микроквазар SS433 выбрасывает анизотропный ветер с ударными волнами

Новая модель, предложенная астрофизиками ИКИ РАН и их коллегами из ФТИ им. А. Ф. Иоффе, объясняет возможный механизм формирования гигантской туманности W50 размером в десятки парсек, внутри которой находится один из известнейших рентгеновских объектов нашей Галактики — микроквазар SS433.

К настоящему времени известны миллионы рентгеновских источников на всем небе. Названия нескольких десятков из них знают практически все астрономы и астрофизики. Среди них — микроквазар SS433 в нашей Галактике, уникальный объект во всех диапазонах электромагнитного спектра от радиоволн до фотонов сверхвысоких энергий.

SS433 — черная дыра в массивной двойной системе. Темп аккреции на эту черную дыру со звезды-компаньона в сотни раз превышает критическое значение, известное как предел Эддингтона. Это означает, что давление излучения при таком темпе становится настолько большим, что может отбрасывать вещество и формировать мощный «ветер» аккреционного диска. Таким образом, черная дыра не только «забирает» вещество компаньона, но и «разбрасывает» его.

В новой модели, предложенной сотрудниками отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН и их коллегами из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, обсуждается, как воздействие такого ветра на окружающую межзвездную среду может приводить к формированию гигантской радиотуманности W50 размером в десятки парсек, которая окружает SS433 и видна в радиодиапазоне. Статья с результатами работы опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics и доступна онлайн.

С конца 70-х годов прошлого века известно, что микроквазар SS433 выбрасывает узкие струи вещества, скорость движения которых составляет примерно четверть от скорости света, а направление строго периодически меняется во времени, подобно прецессирующему волчку. Несмотря на то что такая картина была предсказана и рассмотрена в пионерских работах по теории аккреции (Шакура и Сюняев, 1973), а с момента открытия исследованию этого источника посвящено несколько тысяч работ, до сих пор нет общепринятых ответов на многочисленные вопросы о структуре сверхэддингтоновского потока вещества на черную дыру и механизме запуска узких струй.

Также оставался открытым вопрос о том, как образовалась радиотуманность W50, которая окружает SS433. Ее форма, напоминающая упитанного «водного животного», сделала популярным другое название — «Туманность ламантина».

Формированию тесной двойной системы «массивная звезда + черная дыра» предшествует взрыв сверхновой звезды, после которого и возникает черная дыра. Обычно считается, что именно разлетающаяся оболочка сверхновой создала квазисферическую часть туманности («туловище ламантина»). Что касается вытянутых частей W50 («головы» и «хвоста»), то общепринятой модели нет. Часто предполагается, что определенную роль играют те самые узкие прецессирующие субрелятивистские струи вещества, но бесспорных следов их торможения и интенсивного взаимодействия с окружающей средой до сих пор не обнаружено.

Совсем другое объяснение предложено в недавней работе астрофизиков ИКИ и ФТИ им. Иоффе. При гигантском темпе аккреции на черную дыру большая часть вещества должна быть выброшена давлением излучения, формируя мощный ветер со скоростью в тысячи и десятки тысяч километров в секунду.

Чтобы не было путаницы, поясним, что «знаменитые» и хорошо видимые джеты — очень узкие струи. А звездный ветер сформирован гораздо более широкими потоками, которые переносят сравнимую или большую энергию, чем узкие струи, и это ключевой момент в новой модели.

В работе сделано предположение, что этот ветер анизотропен, то есть не одинаков в разных направлениях, и вся туманность W50 создана именно таким профилированным ветром, а узкие субрелятивистские струи не оказывают большого влияют на формирование туманности.

Плотность потока кинетической энергии в новой модели ветре выше в направлении, перпендикулярном плоскости аккреционного диска, и почти одинакова в других направлениях. Это объясняет форму туманности — в направлениях, где мощность ветра выше, туманность имеет более вытянутую форму.

Это предположение позволяет объяснить и загадочные структуры внутри туманности, наблюдаемые на высоких энергиях, начиная от кило- и заканчивая тераэлектронвольтами. Они, вероятно, возникают в результате взаимодействия потоков/струй в самом анизотропном ветре. Более того, магнитогидродинамическая структура анизотропного ветра указывает на возможность эффективного ускорения релятивистских протонов космических лучей с петаэлектронвольтными энергиями.

То, как ведут себя струи вещества при взаимодействии с окружающей средой, хорошо известно. В астрофизических условиях такие струи (джеты) возникают вблизи сверхмассивных черных дыр, а также черных дыр звездных масс. Когда плотность вещества в струях становится много меньше плотности окружающего газа, возникают ударные волны, которые могут фокусировать эти струи и позволять им распространяться на большие расстояния.

В случае SS433 изотропная часть ветра играет роль «окружающей среды» для более коллимированной части ветра. Она фокусирует и разогревает осевую часть ветра, оставаясь невидимой для наблюдателя. В результате на большом расстоянии от компактного источника «из ниоткуда» возникает яркая в рентгеновском и гамма-диапазоне структура.

Если экстраполировать эту модель на другие источники, в которых реализуется режим очень быстрой аккреции на компактный объект, то можно ожидать, что и в них естественным образом могут возникать условия, чтобы эффективно ускорять частицы в анизотропном ветре. В результате заметная доля выделяемой аккреционной энергии конвертируется в космические лучи, а также запасается в горячем многофазном коконе внутри туманности. Полное энерговыделение на этом этапе жизни источника оказывается больше, чем энергия взрыва «родительской» сверхновой.

Похожая ситуация может иметь место для быстрорастущих массивных черных дырах на заре Вселенной, галактиках с экстремальной активностью ядра и темпом звездообразования в эпоху «Космического Полудня» (когда возраст Вселенной составлял всего 2–3 миллиарда лет), или в наиболее экстремальных ультраярких рентгеновских источниках в современных галактиках.