Күшті Х-сәулеленім көздері: Астрономиялық құпиялар
Ultraluminous X-ray source
Күшті рентгендік көздер (ULX) – галактикалардағы аса жарқыраған объектілер. Олардың қызметін түсіндіру үшін түрлі теориялар бар: қара тесіктер, сәулелену.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ультражарықты рентген сәулелі көз (ULX) – рентген сәулелерінің астрономиялық көзі, ол белсенді галактикалық ядродан кем жарықты, бірақ кез келген белгілі жұлдыздық процестен тұрақтырақ жарықты (секундына 1039 эрг/с немесе 1032 Вт), егер ол изотропты түрде сәулеленетін болса (барлық бағытта бірдей). Оларды қамтитын галактикаларда әдетте бір галактикаға бір ULX кездеседі, бірақ кейбір галактикаларда олар көп болуы мүмкін. Кемер жолында ULX табылмаған, бірақ SS 433 мүмкін көз болуы мүмкін. ULX-ке деген қызығушылықтың басты себебі – олардың жарықтылығы нейтрон жұлдыздарының және тіпті жұлдыздық қара тесіктердің Эддингтон жарықтылығынан асып түседі. ULX-тің қандай күшпен жұмыс істейтіні белгісіз; модельдерге жұлдыздық массалы объектілердің бағытталған сәулеленуі, аралық массалы қара тесіктердің аккрециясы және супер Эддингтон сәулеленуі кіреді.
An ultraluminous X ray source (ULX) is an astronomical source of X rays that is less luminous than an active galactic nucleus but is more consistently luminous than any known stellar process (over 1039 erg/s, or 1032 watts), assuming that it radiates isotropically (the same in all directions). Typically there is about one ULX per galaxy in galaxies which host them, but some galaxies contain many. The Milky Way has not been shown to contain a ULX, although SS 433 may be a possible source. The main interest in ULXs stems from their luminosity exceeding the Eddington luminosity of neutron stars and even stellar black holes. It is not known what powers ULXs; models include beamed emission of stellar mass objects, accreting intermediate mass black holes, and super Eddington emission.
Байқау деректері
ULX-тер алғаш рет 1980 жылдары Эйнштейн обсерваториясымен ашылды. Кейінгі бақылауларды ROSAT жүргізді. Хмм-Ньютон және Чандра рентгендік обсерваториялары үлкен прогресс жасады, олардың спектрлік және бұрыштық ажыратымдылығы әлдеқайда жоғары. Чандра бақылаулары арқылы ULX-терді зерттеу, ULX-терді қонақ ететін галактикалардың әрқайсысында шамамен бір ULX болатынын көрсетті (көпшілігінде жоқ). ULX-тер галактикалардың барлық түрлерінде кездеседі, соның ішінде эллипстік галактикаларда, бірақ жұлдыздар пайда болатын галактикаларда және гравитациялық әрекеттесетін галактикаларда олар жиірек кездеседі. ULX-тердің ондаған пайызы, шындығында, фондық квазарлар болып табылады; ULX-тің фондық көз болу ықтималдығы эллипстік галактикаларда спиральді галактикаларға қарағанда жоғары.
ULXs were first discovered in the 1980s by the Einstein Observatory. Later observations were made by ROSAT. Great progress has been made by the X ray observatories XMM Newton and Chandra, which have a much greater spectral and angular resolution. A survey of ULXs by Chandra observations shows that there is approximately one ULX per galaxy in galaxies which host ULXs (most do not). ULXs are found in all types of galaxies, including elliptical galaxies but are more ubiquitous in star forming galaxies and in gravitationally interacting galaxies. Tens of percents of ULXs are in fact background quasars; the probability for a ULX to be a background source is larger in elliptical galaxies than in spiral galaxies.
Модельдер
ULX-тің Эддингтондық жарықтылығы жұлдыздық массасы бар нысандардан артық екендігі, олардың қалыпты рентгендік екілік жұлдыздардан өзгеше екенін көрсетеді. ULX үшін бірнеше модель бар, және әртүрлі көздер үшін әртүрлі модельдер қолданылуы мүмкін. Сәулеленудің бағытталған болуы – Егер көздердің сәулеленуі күшті бағытталған болса, Эддингтон аргументі екі рет ортада қалады: біріншіден, көздің нақты жарықтылығы күтілгеннен төмен болғандықтан, екіншіден, аккрецияланатын газ фотондар шығарылатын бағыттан өзгеше бағыттан келген болуы мүмкін. Модельдеу көрсеткендей, жұлдыздық массасы бар көздердің жарықтылығы 1040 эрг/с (1033 Вт) дейін жете алады, бұл көптеген көздерді түсіндіруге жеткілікті, бірақ ең жарқын көздер үшін тым төмен. Егер көз жұлдыздық массасы бар болса және оның жылу спектрі болса, оның температурасы жоғары болуы керек, температураны Болцман тұрақтысына көбейту kT ≈ 1 кэВ, және квази-периодтық тербелістер күтілмейді. Орташа массалы қара тесіктер – Табиғатта Күннің массасынан он есе ауыр және миллионнан миллиард есе ауыр қара тесіктер байқалады. Алғашқылары – «жұлдыздық қара тесіктер», олар массивті жұлдыздардың соңғы өнімдері, ал екіншілері – супермассивті қара тесіктер, олар галактикалардың орталықтарында орналасқан. Орташа массалы қара тесіктер (IMBH) – гипотетикалық үшінші класс нысандар, олардың массасы жүзден мыңға дейін Күн массасына жетеді. Орташа массалы қара тесіктер динамикалық үйкеліс арқылы өздерінің галактикаларының ортасына шөгуге жеңіл, бірақ ULX жарықтылығымен сәулеленуге жеткілікті массалы. Егер ULX орташа массалы қара тесік болса, жоғары/жұмсақ күйде оның аккрециялық дискінен шыққан жылу компоненті салыстырмалы төмен температурада (kT ≈ 0,1 кэВ) ең жоғары деңгейге жетеді және салыстырмалы төмен жиіліктерде квази-периодтық тербелістерді көрсете алады. Кейбір көздердің орташа массалы қара тесіктер болуы мүмкін деген пікірді қолдайтын аргумент – бұл жұлдыздық массалы қара тесіктің рентгендік екілік жұлдыздарының рентгендік спектрлерімен салыстыру. Рентгендік екілік жұлдыздардың спектрлері әртүрлі ауысу күйлерінен өтеді. Бұл күйлердің ең маңыздысы – төмен/қатты күй және жоғары/жұмсақ күй (Remillard & McClintock 2006 қараңыз). Төмен/қатты күй немесе қуат заңы үстемдік ететін күй, 1,5-тен 2,0-ға дейінгі спектрлік индексі бар сіңірілген қуат заңы рентген спектрімен сипатталады (қатты рентген спектрі). Тарихи тұрғыдан бұл күй төмен жарықтықпен байланысты болды, бірақ RXTE сияқты спутниктермен жақсы байқаулар нәтижесінде бұл міндетті түрде осылай болуы керек емес. Жоғары/жұмсақ күй сіңірілген жылу компонентімен (дискі температурасы (kT ≈ 1,0 кэВ) және қуат заңы (спектрлік индексі ≈ 2,5) бар қара дене) сипатталады. Кем дегенде бір ULX көзі, Holmberg II X 1, жоғары және төмен күйге тән спектрлері бар күйлерде байқалды. Бұл кейбір ULX-тер IMBH-терді жинақтауы мүмкін екенін көрсетеді (Winter, Mushotzky, Reynolds 2006 қараңыз). Фондық квазарлар – Байқалған ULX-тердің маңызды бөлігі шын мәнінде фондық көздер болып табылады. Мұндай көздерді өте төмен температурамен анықтауға болады (мысалы, PG квазарларындағы жұмсақ артық). Супернова қалдықтары – Жарқын супернова (SN) қалдықтары 1039 эрг/с (1032 Вт) жарықтығына жете алады. Егер ULX SN қалдығы болса, ол қысқа уақыт аралығында өзгеретін болмайды және бірнеше жылдың ішінде жоғалады.
The fact that ULXs have Eddington luminosities larger than that of stellar mass objects implies that they are different from normal X ray binaries. There are several models for ULXs, and it is likely that different models apply for different sources. Beamed emission — If the emission of the sources is strongly beamed, the Eddington argument is circumvented twice: first because the actual luminosity of the source is lower than inferred, and second because the accreted gas may come from a different direction than that in which the photons are emitted. Modelling indicates that stellar mass sources may reach luminosities up to 1040 erg/s (1033 W), enough to explain most of the sources, but too low for the most luminous sources. If the source is stellar mass and has a thermal spectrum, its temperature should be high, temperature times the Boltzmann constant kT ≈ 1 keV, and quasi periodic oscillations are not expected. Intermediate mass black holes — Black holes are observed in nature with masses of the order of ten times the mass of the Sun, and with masses of millions to billions times the solar mass. The former are 'stellar black holes', the end product of massive stars, while the latter are supermassive black holes, and exist in the centers of galaxies. Intermediate mass black holes (IMBHs) are a hypothetical third class of objects, with masses in the range of hundreds to thousands of solar masses. Intermediate mass black holes are light enough not to sink to the center of their host galaxies by dynamical friction, but sufficiently massive to be able to emit at ULX luminosities without exceeding the Eddington limit. If a ULX is an intermediate mass black hole, in the high/soft state it should have a thermal component from an accretion disk peaking at a relatively low temperature (kT ≈ 0.1 keV) and it may exhibit quasi periodic oscillation at relatively low frequencies. An argument made in favor of some sources as possible IMBHs is the analogy of the X ray spectra as scaled up stellar mass black hole X ray binaries. The spectra of X ray binaries have been observed to go through various transition states. The most notable of these states are the low/hard state and the high/soft state (see Remillard & McClintock 2006). The low/hard state or power law dominated state is characterized by an absorbed power law X ray spectrum with spectral index from 1.5 to 2.0 (hard X ray spectrum). Historically, this state was associated with a lower luminosity, though with better observations with satellites such as RXTE, this is not necessarily the case. The high/soft state is characterized by an absorbed thermal component (blackbody with a disk temperature of (kT ≈ 1.0 keV) and power law (spectral index ≈ 2.5). At least one ULX source, Holmberg II X 1, has been observed in states with spectra characteristic of both the high and low state. This suggests that some ULXs may be accreting IMBHs (see Winter, Mushotzky, Reynolds 2006). Background quasars — A significant fraction of observed ULXs are in fact background sources. Such sources may be identified by a very low temperature (e. g. the soft excess in PG quasars). Supernova remnants — Bright supernova (SN) remnants may perhaps reach luminosities as high as 1039 erg/s (1032 W). If a ULX is a SN remnant it is not variable on short time scales, and fades on a time scale of the order of a few years.
Ерекше ULX
Holmberg II X 1: Бұл атақты ULX галактиканың карлик галактикасында орналасқан. XMM-мен жасалған бірнеше байқаулар осы көздің төмен/қатты және жоғары/жұмсақ күйде екенін көрсетті, бұл көздің үлкейтілген рентгендік бинарлық жұлдыз немесе IMBH-ді аккрециялауы мүмкін екенін ұсынады. M74: 2005 жылы Чандра телескопының байқауы бойынша, аралық массалы қара тесік болуы мүмкін. M82 X 1: Бұл қазіргі кездегі ең жарық ULX (2004 жылғы қазанға дейін), және ол жиі аралық массалы қара тесікке үміткер ретінде қарастырылады. M82 X1 жұлдыздық шоғырмен байланысты, квази-периодтық осцилляцияларды (QPOs) көрсетеді, рентген сәулесінің амплитудасында 62 күндік модуляция байқалады. M82 X 2: 2014 жылы қара тесік емес, пульсар екені анықталған ерекше ULX. M101 X1: Жарықтылығы 1041 эрг/с (1034 Вт) дейін жететін ең жарқын ULX-тің бірі. Бұл ULX супергигант жұлдыз деп жорылған оптикалық көзбен сәйкес келеді, осылайша бұл рентгендік бинарлық жұлдыз болуы мүмкін деген пікірді қолдайды. NGC 1313 X1 және X2: NGC 1313 – Ретикулум шоқжұлдызында орналасқан спиральді галактика, онда екі ультражарық рентген сәулесінің көзі бар. Бұл екі көзде төмен температуралы диск компоненттері байқалды, бұл аралық массалы қара тесіктің болуының ықтимал дәлелі ретінде түсіндірілді. Алайда, төмен энергиялы сәулеленуді төмен температуралы диск ретінде модельдеуге болады, бірақ жоғары энергиялы сәулелену аралық массалы қара тесік гипотезасына қайшы келеді. Сонымен қатар, NGC 1313 X 2-де рентгендік пульсациялар анықталды, бұл объектінің нейтрондық жұлдыз екенін көрсетеді. Сонымен қатар, аралық массалы қара тесік гипотезасы ULX-тің әрқайсыын қоршаған үлкен оптикалық көпіршіктердің болуын түсіндіре алмайды. Көбінесе, бұл екі ULX жұлдыздық массалы нейтрондық жұлдыздарды немесе супер Эддингтондық массалық ағыммен аккрециялайтын қара тесіктерді қамтиды, ал аккрециялық дисктен шыққан күшті жел оларды қоршаған кеңістікті жойған болуы мүмкін.
Holmberg II X 1: This famous ULX resides in a dwarf galaxy. Multiple observations with XMM have revealed the source in both a low/hard and high/soft state, suggesting that this source could be a scaled up X ray binary or accreting IMBH. M74: Possibly containing an intermediate mass black hole, as observed by Chandra in 2005. M82 X 1: This is the most luminous known ULX (as of Oct 2004), and has often been marked as the best candidate to host an intermediate mass black hole. M82 X1 is associated with a star cluster, exhibits quasi periodic oscillations (QPOs), has a modulation of 62 days in its X ray amplitude. M82 X 2: An unusual ULX that was discovered in 2014 to be a pulsar rather than a black hole. M101 X1: One of the brightest ULXs, with luminosities up to 1041 erg/s (1034 W). This ULX coincides with an optical source that has been interpreted to be a supergiant star, thus supporting the case that this may be an X ray binary. NGC 1313 X1 and X2: NGC 1313, a spiral galaxy in the constellation Reticulum, contains two ultraluminous X ray sources. These two sources had low temperature disk components, which was interpreted as possible evidence for the presence of an intermediate mass black hole. However, while the low energy emission can be modelled as a low temperature disk, the high energy emission is at odds with the intermediate mass black hole hypothesis. Moreover, X ray pulsations have been detected in NGC 1313 X 2, identifying the object as a neutron star. At the same time, the intermediate mass black hole hypothesis cannot account for the presence of large optical bubbles surrounding each of the ULXs. It is more likely that these two ULXs host stellar mass neutron stars or black holes accreting at super Eddington mass transfer rates and that the powerful winds from the accretion disk have blown away the cavity that surrounds them.