Обнаружена самая яркая нейтронная звезда

О пределе Эддингтона, ультраярких рентгеновских источниках и тесных двойных системах.

8 октября 2014 года в журнале Nature была опубликована статья, в которой было заявлено об обнаружении нейтронной звезды с чрезвычайно мощным излучением в рентгеновском диапазоне. До этого момента не было известно переменных объектов с таким интенсивным высокоэнергетическим излучением. Мы попросили прокомментировать это открытие астрофизика Константина Постнова.
Еще в конце 80-х годов были открыты источники, яркость которых в рентгеновском диапазоне оказывалась очень большой, их назвали ультраяркие рентгеновские источники. То есть их рентгеновская светимость превышала во много раз, в десятки, даже в сто раз так называемый эддингтоновский предел светимости, при котором давление излучения столь большое, что оно начинает препятствовать падению вещества на нейтронную звезду в тесных двойных системах. Эддингтоновский предел всегда правильно считался критичным и используется во многих астрофизических объектах, например в активных ядрах галактик, в рентгеновских двойных системах, как верхний предел возможной электромагнитной светимости. Поскольку этот предел определяется только массой звезды, на которую идет аккреция, то, когда были открыты ультраяркие рентгеновские источники, встал вопрос, чем они являются. Раз наблюдалась в сто раз большая светимость, то стали думать, а нет ли каких-нибудь компактных объектов с массой в сотню раз больше солнечной? Одна из превалирующих точек зрения состояла в том, что в таких ультраярких источниках находятся черные дыры промежуточных масс, с массой в сотни или даже тысячу солнечных.

Новые наблюдения одного из таких источников в галактике M82, которые провел телескоп NuSTAR, выявили интересную вещь. Оказалось, что от одного из таких ультраярких источников, со светимостью, превышающей стандартный эддингтоновский предел для нейтронной звезды в сто раз, наблюдаются пульсации с периодом 1.7 секунды. Причем темп этих пульсаций, скорость прихода импульсов увеличивается. Это признак нейтронной звезды, которая ускоряется из-за передаваемого падающим веществом момента импульса. Когда изучали приходы импульсов этого рентгеновского пульсара, был определен орбитальный период, он оказался равен 2.5 дням. Стало ясно, что конкретно в этом источнике находится нейтронная звезда, а не черная дыра. Это и составило основной наблюдательный факт, который послужил поводом для публикации в журнале Nature.

Почему можно сделать такой вывод? У черной дыры нет поверхности и нет собственного магнитного поля. Плазма течет вдоль силовых линий магнитного поля, а энерговыделение происходит в горячих пятнах на поверхности. Из-за вращения нейтронной звезды наблюдается периодически изменяющийся рентгеновский поток. Этот феномен называется рентгеновским пульсаром, на черной дыре он невозможен. Если бы это была черная дыра, то никакого периодического излучения от нее не было бы. Помимо этого, кроме пульсаций измерен не только период вращений, но еще и как он изменяется со временем, а это типичное свойство нейтронных звезд, которые являются рентгеновскими пульсарами.

В чем осталась интрига? Может ли нейтронная звезда обеспечивать такую огромную электромагнитную светимость, при этом не разрушая падающий аккрецирующий поток? Этот вопрос изучался еще в 80-е годы, в частности в работах В. М. Липунова, где было показано, что ничего страшного не происходит, просто надо рассматривать эддингтоновский предел не на поверхности нейтронной звезды, размер которой всего примерно 10 км, а на том радиусе, где вещество останавливается при взаимодействии с магнитным полем звезды, с ее магнитосферой, которая может быть в сто раз больше. Таким образом, можно получить аккрецирующие нейтронные звезды с магнитным полем, обладающие стократно большей светимостью, чем эддингтоновский предел.

Это в некотором смысле подтверждает наши представления о том, как могут эволюционировать массивные тесные двойные системы с нейтронными звездами с магнитным полем. Тот факт, что открыли звезду в ультраярком рентгеновском источнике, очень знаменателен. Это значит, что совсем необязательно в таких источниках находятся черные дыры. Дело в том, что пульсации в рентгеновском излучении обнаружить очень трудно, и не исключено, как правильно заключают авторы этой статьи, что значительная доля наблюдаемых в различных галактиках ультраярких рентгеновских источников — это нейтронные звезды на стадии сверхкритической аккреции.

Константин Постнов
доктор физико-математических, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии Астрономического отделения Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова