В астрономии и астрофизике сверхъяркий рентгеновский источник ( ULX ) менее яркий, чем активное галактическое ядро , но более стабильно яркий, чем любой известный звездный процесс (более 10 39 эрг / с или 10 32 Вт ), предполагая, что он излучает изотропно (одинаково во всех направлениях). Обычно в галактиках, которые их содержат, имеется около одного ULX на галактику, но некоторые галактики содержат много. Млечный Путь не содержит ULX, хотя SS 433 является кандидатом. Основной интерес к ULX обусловлен их светимостью, превышающей светимость Эддингтона нейтронных звезд и даже звездных черных дыр . Неизвестно, что питает ULX; модели включают лучевое излучение объектов звездной массы, аккрецирующие черные дыры промежуточной массы и сверхэддингтоновское излучение.
Факты наблюдения
ULX были впервые обнаружены в 1980-х годах обсерваторией Эйнштейна . Более поздние наблюдения были сделаны ROSAT . Большой прогресс был достигнут рентгеновскими обсерваториями XMM-Newton и Chandra , которые имеют гораздо большее спектральное и угловое разрешение . Обзор ULX по наблюдениям Chandra показывает, что в галактиках, которые содержат ULX (большинство из них этого не делают), на каждую галактику приходится примерно один ULX. [1]
ULX встречаются во всех типах галактик, включая эллиптические галактики , но более распространены в галактиках звездообразования и в гравитационно взаимодействующих галактиках. Десятки процентов ULX на самом деле являются фоновыми квазарами ; вероятность того, что ULX будет фоновым источником, выше в эллиптических галактиках, чем в спиральных галактиках .
Модели
Тот факт, что ULX имеют светимости Эддингтона больше, чем у объектов звездной массы, означает, что они отличаются от обычных рентгеновских двойных . Существует несколько моделей для ULX, и вполне вероятно, что разные модели применимы к разным источникам.
Излучение пучком — Если излучение источников сильно направлено пучком, аргумент Эддингтона обходит дважды: во-первых, потому что фактическая светимость источника ниже предполагаемой, а во-вторых, потому что аккрецированный газ может исходить с другого направления, чем то, в котором испускаются фотоны . Моделирование показывает, что источники звездной массы могут достигать светимости до 10 40 эрг/с (10 33 Вт), что достаточно для объяснения большинства источников, но слишком мало для самых ярких источников. Если источник имеет звездную массу и тепловой спектр , его температура должна быть высокой, температура, умноженная на постоянную Больцмана kT ≈ 1 кэВ, и квазипериодические колебания не ожидаются.
Черные дыры средней массы — Черные дыры наблюдаются в природе с массами порядка десяти масс Солнца и с массами в миллионы-миллиарды масс Солнца. Первые являются « звездными черными дырами », конечным продуктом массивных звезд, в то время как вторые являются сверхмассивными черными дырами и существуют в центрах галактик. Черные дыры средней массы (IMBH) являются гипотетическим третьим классом объектов с массами в диапазоне от сотен до тысяч масс Солнца. [2] Черные дыры средней массы достаточно легкие, чтобы не тонуть в центре своих родительских галактик за счет динамического трения , но достаточно массивные, чтобы иметь возможность излучать со светимостью ULX, не превышая предел Эддингтона . Если ULX представляет собой черную дыру промежуточной массы, то в высоком/мягком состоянии она должна иметь тепловой компонент от аккреционного диска, достигающий пика при относительно низкой температуре ( kT ≈ 0,1 кэВ), и она может демонстрировать квазипериодические колебания на относительно низких частотах .
Аргументом в пользу некоторых источников как возможных IMBH является аналогия рентгеновских спектров как увеличенных рентгеновских двойных звездных масс черных дыр. Было замечено, что спектры рентгеновских двойных проходят через различные переходные состояния. Наиболее заметными из этих состояний являются низкое/жесткое состояние и высокое/мягкое состояние (см. Remillard & McClintock 2006). Низкое/жесткое состояние или состояние с доминированием степенного закона характеризуется поглощенным степенным рентгеновским спектром со спектральным индексом от 1,5 до 2,0 (жесткий рентгеновский спектр). Исторически это состояние ассоциировалось с более низкой светимостью, хотя при более точных наблюдениях со спутниками, такими как RXTE, это не обязательно так. Высокое/мягкое состояние характеризуется поглощенным тепловым компонентом (черное тело с температурой диска ( kT ≈ 1,0 кэВ) и степенным законом (спектральный индекс ≈ 2,5). По крайней мере один источник ULX, Holmberg II X-1, наблюдался в состояниях со спектрами, характерными как для высокого, так и для низкого состояния. Это говорит о том, что некоторые ULX могут быть аккрецирующими IMBH (см. Winter, Mushotzky, Reynolds 2006).
Фоновые квазары — Значительная часть наблюдаемых ULXs на самом деле являются фоновыми источниками. Такие источники могут быть идентифицированы по очень низкой температуре (например, мягкий избыток в PG-квазарах).
Остатки сверхновой — Яркие остатки сверхновой (SN) могут, возможно, достигать светимости до 10 39 эрг/с (10 32 Вт). Если ULX является остатком SN, он не изменчив на коротких временных шкалах и затухает на временной шкале порядка нескольких лет.
Holmberg II X-1 : Этот знаменитый ULX находится в карликовой галактике. Многочисленные наблюдения с XMM выявили источник как в низком/жестком, так и в высоком/мягком состоянии, что позволяет предположить, что этот источник может быть увеличенной рентгеновской двойной или аккрецирующей IMBH.
M82 X-1 : Это самая яркая из известных ULX (по состоянию на октябрь 2004 г.), и ее часто называют лучшим кандидатом на роль черной дыры средней массы. [3] M82-X1 связана со звездным скоплением , демонстрирует квазипериодические колебания (QPO), имеет модуляцию в 62 дня в амплитуде рентгеновского излучения.
M82 X-2 : необычная ULX, которая была обнаружена в 2014 году и оказалась пульсаром, а не черной дырой. [4]
M101 -X1 : Один из самых ярких ULX, со светимостью до 10 41 эрг/с (10 34 Вт). Этот ULX совпадает с оптическим источником, который интерпретируется как сверхгигантская звезда, таким образом, подтверждая тот факт, что это может быть рентгеновская двойная звезда . [5]
Снимки MUSE бок о бок, полученные с телескопов Хаббл и Очень Большого Телескопа, на которых запечатлена окружающая среда вокруг NGC 1313 X-1. Изображение MUSE RGB туманности, вырезанной ULX, расположенной в ее центре (обозначено звездой), видно в трех узких фильтрах, показывающих излучение кислорода, серы и водорода [6] .NGC 1313 X1 и X2 : NGC 1313, спиральная галактика в созвездии Ретикулум , содержит два сверхъярких рентгеновских источника. [7] Эти два источника имели низкотемпературные дисковые компоненты, что было интерпретировано как возможное доказательство присутствия черной дыры промежуточной массы . [8] Однако, в то время как низкоэнергетическое излучение можно смоделировать как низкотемпературный диск, высокоэнергетическое излучение противоречит гипотезе черной дыры промежуточной массы . [9] Более того, в NGC 1313 X-2 были обнаружены рентгеновские пульсации, [10] идентифицирующие объект как нейтронную звезду . В то же время гипотеза черной дыры промежуточной массы не может объяснить наличие больших оптических пузырей, окружающих каждую из ULX. [11] [12] Более вероятно, что эти два ULX содержат нейтронные звезды звездной массы или черные дыры , аккрецирующие со сверхэддингтоновскими скоростями массообмена, и что мощные ветры из аккреционного диска сдули окружающую их полость. [6]
RX J0209.6-7427 : транзитная двойная рентгеновская система Be, последний раз обнаруженная в 1993 году в Магеллановом мосту, которая оказалась пульсаром ULX, когда она проснулась от глубокого сна после 26 лет в 2019 году. [13] [14]
^ Swartz, DA; et al. (октябрь 2004 г.). «Популяция сверхъярких рентгеновских источников из архива галактик Chandra». Серия приложений к Astrophysical Journal . 154 (2): 519–539. arXiv : astro-ph/0405498 . Bibcode : 2004ApJS..154..519S. doi : 10.1086/422842. S2CID 16576561.
^ Miller, JM; et al. (октябрь 2004 г.). "Сравнение источников рентгеновского излучения сверхъярких кандидатов в черные дыры средней массы и черных дыр звездной массы". The Astrophysical Journal . 614 (2): L117–L120. arXiv : astro-ph/0406656 . Bibcode :2004ApJ...614L.117M. doi :10.1086/425316. S2CID 8471249.
^ Bachetti, M.; Harrison, FA; Walton, DJ; Grefenstette, BW; Chakrabaty, D.; Fürst, F.; Barret, D.; et al. (9 октября 2014 г.). «Источник сверхяркого рентгеновского излучения, работающий от аккрецирующей нейтронной звезды». Nature . 514 (7521): 202–204. arXiv : 1410.3590 . Bibcode :2014Natur.514..202B. doi :10.1038/nature13791. PMID 25297433. S2CID 4390221.
^ Kuntz, KD; et al. (Февраль 2005). "Оптический аналог M101 ULX-1". The Astrophysical Journal . 620 (1): L31–L34. Bibcode :2005ApJ...620L..31K. doi : 10.1086/428571 . hdl : 2060/20050123916 .
^ ab Orange, The White (2023-01-18). "Как черные дыры и нейтронные звезды наносят ущерб межзвездной среде (с реальными изображениями)". Medium . Получено 2023-01-18 .
↑ Irion R (23 июля 2003 г.). «Более веские аргументы в пользу черных дыр среднего размера».
^ Miller, JM; et al. (март 2003 г.). "Рентгеновские спектроскопические свидетельства черных дыр средней массы: холодные аккреционные диски в двух сверхъярких источниках рентгеновского излучения". Astrophysical Journal Letters . 585 (1): L37–L40. arXiv : astro-ph/0211178 . Bibcode :2003ApJ...585L..37M. doi :10.1086/368373. S2CID 119389674.
^ Бачетти, Маттео; Рана, Викрам; Уолтон, Доминик Дж.; Баррет, Дидье; Харрисон, Фиона А.; Боггс, Стивен Э.; Кристенсен, Финн Э.; Крейг, Уильям У.; Фабиан, Эндрю К.; Фюрст, Феликс; Грефенштетте, Брайан У.; Хейли, Чарльз Дж.; Хорншемейер, Энн; Мэдсен, Кристин К.; Миллер, Джон М. (13.11.2013). "ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЛЮМИНУСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ NGC 1313 X-1 и X-2: ШИРОКОПОЛОСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ С NuSTAR И XMM-Newton". The Astrophysical Journal . 778 (2): 163. arXiv : 1310.0745 . Bibcode : 2013ApJ...778..163B. doi : 10.1088/0004-637X/778/2/163. ISSN 0004-637X. S2CID 28161179.
^ Sathyaprakash, R.; Roberts, TP; Walton, DJ; Fuerst, F.; Bachetti, M.; Pinto, C.; Alston, WN; Earnshaw, HP; Fabian, AC; Middleton, MJ; Soria, R. (2019-09-01). "Открытие слабых когерентных пульсаций в сверхъярком рентгеновском источнике NGC 1313 X-2". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 488 (1): L35–L40. arXiv : 1906.00640 . Bibcode : 2019MNRAS.488L..35S. doi : 10.1093/mnrasl/slz086 . ISSN 0035-8711.
^ Гурпиде, А.; Парра, М.; Годе, О.; Контини, Т.; Олив, Ж. -Ф. (2022-10-01). "MUSE-спектроскопия ULX NGC 1313 X-1: ионизированный ударной волной пузырь, рентгеновская фотоионизированная туманность и два остатка сверхновой". Астрономия и астрофизика . 666 : A100. arXiv : 2201.09333 . Bibcode : 2022A&A...666A.100G. doi : 10.1051/0004-6361/202142229. ISSN 0004-6361. S2CID 246240982.
^ Чандра, А.Д.; Рой, Дж.; Агравал, П.К.; Чоудхури, М. (3 июня 2020 г.). «Изучение недавней вспышки в двойной системе Be/X-ray RX J0209.6−7427 с помощью AstroSat: новый сверхъяркий рентгеновский пульсар в Магеллановом мосту?». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 495 (3): 2664–2672. arXiv : 2004.04930 . Bibcode : 2020MNRAS.495.2664C. doi : 10.1093/mnras/staa1041 .
^ «Источник сверхъяркого рентгеновского излучения пробуждается около галактики не так уж далеко». Королевское астрономическое общество . 3 июня 2020 г.
Remillard, Ronald A.; McClintock, Jeffrey E. (сентябрь 2006 г.). "Свойства рентгеновского излучения двойных черных дыр". Annual Review of Astronomy & Astrophysics . 44 (1): 49–92. arXiv : astro-ph/0606352 . Bibcode : 2006ARA&A..44...49R. doi : 10.1146/annurev.astro.44.051905.092532. S2CID 119417042.
Winter, LM; et al. (октябрь 2006 г.). "XMM-Newton Archival Study of the ULX Population in Nearby Galaxies". Astrophysical Journal . 649 (2): 730–752. arXiv : astro-ph/0512480 . Bibcode :2006ApJ...649..730W. doi :10.1086/506579. S2CID 118445260.
