НАСА нашло 84 загадочных «гипермягких» источника рентгеновского излучения: они могут решить две космические загадки

Десятилетиями астрономы считали, что неплохо понимают самые яркие объекты в соседних галактиках. Чёрные дыры, пожирающие материю, нейтронные звёзды, вращающиеся с невероятной скоростью, взрывающиеся звёзды и мощные рентгеновские двойные системы — всё это было каталогизировано и изучено в мельчайших деталях. А потом учёные посмотрели снова — и нашли то, что каким-то образом упускали всё это время.

Используя архивные наблюдения рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», исследователи недавно идентифицировали совершенно новую популяцию космических объектов, разбросанных по шести соседним галактикам. Эти странные источники излучают необычно низкоэнергетические рентгеновские лучи, но, по-видимому, производят огромные количества экстремального ультрафиолетового излучения — формы света, которую печально известно трудно наблюдать напрямую. Команда обнаружила 84 таких объекта и назвала их гипермягкими рентгеновскими источниками. Их открытие может помочь объяснить давние загадки, связанные с ионизацией галактик и происхождением некоторых звёздных взрывов.

Что делает эту находку особенно захватывающей, так это то, что эти объекты скрывались в данных, которые у астрономов уже были. Открытие позволяет предположить, что Вселенная может содержать обширные популяции энергичных объектов, остававшихся невидимыми просто потому, что учёные смотрели не туда.

Открытие, скрытое на виду

Астрономические открытия часто включают новые телескопы, передовые инструменты или наблюдения далёких уголков Вселенной. Это открытие пошло другим путём. Исследователи под руководством Мустафы Мухибуллы из Университета Алабамы изучили общедоступные наблюдения, хранящиеся в архиве «Чандры». Вместо поиска ярких высокоэнергетических рентгеновских источников они сосредоточились на чрезвычайно мягких излучениях при самых низких энергиях, которые может обнаружить обсерватория.

То, что появилось, оказалось удивительным. Команда идентифицировала 84 объекта, распределённых по шести соседним галактикам. Выборка включала две спиральные галактики — Андромеду и галактику Вертушка — а также четыре эллиптические галактики. Объекты появлялись как в регионах, заполненных молодыми звёздами, так и в областях, где доминируют старые звёздные населения. Это широкое распределение сразу позволило предположить, что астрономы смотрят не на редкое явление, ограниченное конкретной средой. Вместо этого они, возможно, обнаружили совершенно новую популяцию космических излучателей.

Что такое гипермягкий рентгеновский источник?

Чтобы понять, почему астрономы взволнованы, полезно понять, что делает эти объекты другими. Большинство известных рентгеновских источников излучают широкий диапазон рентгеновских энергий. Чёрные дыры, нейтронные звёзды и аккрецирующие белые карлики обычно генерируют значительные количества средне- и высокоэнергетических рентгеновских лучей. Гипермягкие источники ведут себя иначе. Они появляются в основном — а иногда исключительно — при энергиях ниже 0,3 килоэлектронвольта, что делает их чрезвычайно мягкими по сравнению с обычными рентгеновскими излучателями. Когда астрономы изучали изображения в более высоких энергиях, многие из этих источников по существу исчезали. Это необычное поведение позволяло предположить, что большая часть их энергии на самом деле вообще не излучается в рентгеновском диапазоне. Вместо этого учёные полагают, что большая часть их излучения сосредоточена в экстремальной ультрафиолетовой области электромагнитного спектра — плохо наблюдаемой зоне, которая лежит между ультрафиолетовым светом и рентгеновскими лучами. Это осознание может быть ключом к пониманию того, почему эти объекты оставались скрытыми так долго.

Невидимое окно Вселенной

Астрономы исследовали почти каждый регион электромагнитного спектра, от радиоволн до гамма-лучей. Но экстремальная ультрафиолетовая область остаётся одной из наименее понятых. Проблема не в технологической некомпетентности. Это физика. Водород и гелий поглощают экстремальное ультрафиолетовое излучение чрезвычайно эффективно. В пределах нашей собственной галактики облака межзвёздного газа блокируют большинство таких фотонов, прежде чем они достигнут земных или орбитальных телескопов. В результате Вселенная становится фактически непрозрачной в этом диапазоне длин волн. Представьте, что пытаетесь изучать целую экосистему, нося очки, которые полностью блокируют один цвет света. Именно такова задача, с которой сталкиваются астрономы при наблюдении экстремальной ультрафиолетовой Вселенной. Гипермягкие рентгеновские источники могут представлять популяцию объектов, чей энергетический выход достигает пика именно в этом скрытом регионе спектра. Учёные, таким образом, обнаруживают лишь слабый рентгеновский «хвост» гораздо более мощного процесса излучения.

Среди самых ярких объектов в своих галактиках

Один из самых удивительных аспектов открытия — то, что эти источники не слабые. Фактически они, по-видимому, чрезвычайно светимы. Некоторые гипермягкие источники излучают энергию на уровнях, приближающихся к уровням самых ярких невзрывных объектов, обнаруженных в галактиках. Самые светимые примеры производят около десяти в тридцать восьмой степени эрг энергии в секунду только в наблюдаемом рентгеновском диапазоне, в то время как модели указывают, что их общий энергетический выход может быть существенно выше, если учесть их скрытое экстремальное ультрафиолетовое излучение. Это означает, что эти объекты могут превосходить Солнце по яркости в сотни тысяч или даже миллионы раз. Несмотря на этот огромный энергетический выход, они оставались в значительной степени необнаруженными, потому что большая часть их излучения появляется в той части спектра, которую астрономы с трудом могут наблюдать напрямую. Это напоминание о том, что яркость сама по себе не гарантирует видимость.

Что это за объекты?

На данный момент у учёных нет окончательного ответа. Ведущее объяснение включает двойные звёздные системы. В таких системах одна звезда оттягивает материю от компаньона. По мере того как газ спирально движется внутрь, он нагревается драматически и излучает радиацию. Подобные процессы питают многие известные рентгеновские источники по всей Вселенной. Исследователи подозревают, что гипермягкие источники могут включать белые карлики, аккрецирующие материю от звёзд-компаньонов, нейтронные звёзды, втягивающие газ от соседних компаньонов, чёрные дыры звёздной массы, питающиеся соседними звёздами, постновые системы, проходящие необычные эволюционные стадии. Загадка в том, что ни одна из этих известных категорий обычно не производит излучение с точно такими характеристиками, которые наблюдаются в новой популяции. Учёные поэтому полагают, что гипермягкие источники могут представлять несколько различных физических систем, объединённых общим механизмом излучения, а не один тип объекта.

Заполнение крупного космического ионизационного пробела

Одна из причин, по которой открытие привлекло столько внимания, — его потенциальное влияние на эволюцию галактик. Астрономы давно знают, что газ между звёздами во многих галактиках выглядит более ионизированным, чем ожидалось. Ионизация происходит, когда электроны отрываются от атомов энергичным излучением. Массивные звёзды вносят значительный вклад в этот процесс, но наблюдения часто выявляли уровни ионизации, которые, кажется, трудно объяснить, используя только звёзды. Это расхождение стало известно как ионизационный пробел. Учёные подозревали, что дополнительный источник энергичного излучения должен помогать ионизировать межзвёздный газ. Гипермягкие рентгеновские источники могут быть именно тем, что исследователи искали. Поскольку они, вероятно, излучают огромные количества экстремального ультрафиолетового излучения, они могли бы обеспечить существенную долю недостающих ионизирующих фотонов, необходимых для объяснения наблюдений во многих галактиках. Если это подтвердится, это значительно изменит модели того, как галактики эволюционируют со временем.

Почему ионизация важна

Ионизация — не просто малоизвестная деталь астрофизики. Она влияет на то, как функционируют галактики. Состояние ионизации газа влияет на его температуру, плотность, химию и способность коллапсировать в новые звёзды. Эти свойства влияют на темпы звездообразования, эволюцию звёзд и долгосрочное развитие галактических экосистем. Даже скромные изменения в ионизации могут распространяться по целой галактике на протяжении миллионов лет. Это означает, что понимание источника ионизирующего излучения существенно для построения точных моделей эволюции галактик. Гипермягкие рентгеновские источники могут представлять недостающий кусок этой головоломки.

Возможная связь со сверхновыми типа Ia

Открытие также может пролить свет на другую крупную загадку. Сверхновые типа Ia — одни из самых важных объектов в астрономии. Эти звёздные взрывы служат «стандартными свечами», позволяющими астрономам измерять огромные космические расстояния. Наблюдения сверхновых типа Ia сыграли центральную роль в открытии того, что расширение Вселенной ускоряется — находка, которая в конечном итоге привела к концепции тёмной энергии. Несмотря на их важность, астрономы до сих пор не полностью понимают системы, которые запускают эти взрывы. Одна из ведущих теорий включает белые карлики, постепенно накапливающие материю от звёзд-компаньонов, пока они не достигнут критической массы и не взорвутся. Многие гипермягкие рентгеновские источники могут соответствовать профилю систем, проходящих именно такой тип аккреции. Некоторые исследователи поэтому подозревают, что они могут представлять ранее упущенные предшественники сверхновых типа Ia. Если будущие наблюдения подтвердят эту связь, это будет крупным шагом в понимании одного из самых важных классов взрывов в астрономии.

Почему их упускали так долго?

Это, возможно, самый fascинирующий аспект истории. Астрономы не игнорировали эти объекты. Проблема была в наблюдательной предвзятости. Современные рентгеновские телескопы обычно оптимизированы для более высокоэнергетических излучений. При чрезвычайно низких энергиях чувствительность детекторов значительно снижается. Тем временем межзвёздный газ поглощает как экстремальное ультрафиолетовое излучение, так и самые мягкие рентгеновские лучи. Вместе эти эффекты создали слепое пятно. Источники существовали в архивных наблюдениях годами, но их необычные спектральные характеристики делали их трудными для распознавания как связной популяции. Только после того, как исследователи специально поискали объекты, видимые при самых низких рентгеновских энергиях и отсутствующие при более высоких, скрытая популяция появилась. Иногда научные прорывы приходят не от того, что смотрят дальше, а от того, что смотрят иначе.

Что дальше?

Открытие 84 гипермягких рентгеновских источников вряд ли станет концом истории. Это, вероятно, начало. Исследователи подозревают, что истинная популяция может быть гораздо больше, чем предполагают текущие наблюдения. Шесть изученных галактик были выбраны потому, что они имели обширные архивные наблюдения и благоприятные условия наблюдения. Многие другие галактики остаются неисследованными с использованием подобных методов. Будущие наблюдения с помощью обсерваторий следующего поколения могут выявить тысячи подобных объектов. Астрономы также попытаются определить, какие именно физические системы создают гипермягкое излучение, как они эволюционируют и насколько они распространены по всей Вселенной. Каждый ответ может открыть совершенно новые вопросы.

Скрытая Вселенная явлена

Астрономия часто продвигается через впечатляющие открытия: новые планеты, взрывающиеся звёзды или далёкие галактики. И всё же некоторые из самых важных прорывов происходят, когда учёные обнаруживают то, что скрывалось на виду. Идентификация НАСА 84 гипермягких рентгеновских источников позволяет предположить, что соседние галактики содержат ранее упущенную популяцию необычайно энергичных объектов. Эти загадочные излучатели могут помочь объяснить, почему межзвёздный газ становится ионизированным, раскрыть новые подсказки о происхождении сверхновых типа Ia и выявить скрытую Вселенную экстремального ультрафиолетового излучения, которое астрономы с трудом наблюдали десятилетиями. На данный момент объекты остаются загадочными. Но если история чему-то учит, подобные открытия часто знаменуют начало гораздо более крупного научного путешествия. То, что началось как поиск в старых данных, может в конечном итоге изменить наше понимание того, как эволюционируют галактики, как умирают звёзды и как некоторые из самых ярких, но самых неуловимых объектов Вселенной оставались скрытыми от взгляда так долго.