Ультраяркие источники рентгеновского излучения: природа и модели

Введение

Сверхяркий источник рентгеновского излучения (ULX) — это астрономический источник рентгеновских лучей, который менее светел, чем активное галактическое ядро, но более стабильно светел, чем любой известный звёздный процесс (более 1039 эрг/с, или 1032 Вт), при условии, что излучение происходит изотропно (одинаково во всех направлениях). Как правило, в галактиках, содержащих ULX, наблюдается примерно один ULX на галактику, хотя некоторые галактики содержат множество таких источников. В Млечном Пути наличие ULX не подтверждено, хотя SS 433 может быть потенциальным кандидатом. Основной интерес к ULX связан с тем, что их светимость превышает предел светимости Эддингтона для нейтронных звёзд и даже звёздных чёрных дыр. Механизм, приводящий в действие ULX, остаётся неизвестным; предлагаемые модели включают направленное излучение от звёздных объектов, аккрецию на чёрные дыры промежуточной массы и сверхэддингтоновское излучение.

Факты наблюдений

ULX были впервые обнаружены в 1980-х годах обсерваторией «Эйнштейн». Последующие наблюдения проводились с помощью ROSAT. Значительный прогресс был достигнут благодаря рентгеновским обсерваториям XMM Newton и Chandra, обладающим гораздо более высоким спектральным и угловым разрешением. Обзор ULX, выполненный на основе наблюдений Chandra, показывает, что в галактиках, содержащих ULX, наблюдается примерно один ULX на галактику (большинство галактик их не содержат). ULX встречаются во всех типах галактик, включая эллиптические, но более распространены в галактиках, где активно формируются звезды, и в гравитационно взаимодействующих галактиках. Десятая часть ULX на самом деле являются фоновыми квазарами; вероятность того, что ULX является фоновым источником, выше в эллиптических галактиках, чем в спиральных.

Модели

Тот факт, что ULX имеют светимости Эддингтона, превышающие светимости объектов звездной массы, подразумевает, что они отличаются от нормальных рентгеновских двойных систем. Существует несколько моделей для ULX, и вероятно, что для разных источников применимы разные модели. Излучение в виде пучка — Если излучение источников сильно направлено, аргумент Эддингтона обходится дважды: во-первых, потому что фактическая светимость источника ниже, чем предполагается, а во-вторых, потому что аккрецирующий газ может приходить из направления, отличного от того, в котором излучаются фотоны. Моделирование показывает, что источники звездной массы могут достигать светимостей до 1040 эрг/с (1033 Вт), чего достаточно для объяснения большинства источников, но недостаточно для самых ярких. 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 — В природе наблюдаются черные дыры с массами порядка десяти масс Солнца и с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца. Первые — это «звездные черные дыры», конечный продукт массивных звезд, в то время как последние — сверхмассивные черные дыры, которые существуют в центрах галактик. Черные дыры средней массы (IMBH) — это гипотетический третий класс объектов с массами в диапазоне от сотен до тысяч солнечных масс. Черные дыры средней массы достаточно легкие, чтобы не опускаться к центру своих галактик-хозяев из-за динамического трения, но достаточно массивные, чтобы излучать при светимостях ULX, не превышая предел Эддингтона. Если ULX является черной дырой средней массы, в высоком/мягком состоянии она должна иметь тепловую компоненту от аккреционного диска с максимумом при относительно низкой температуре (kT ≈ 0,1 кэВ) и может проявлять квазипериодические колебания на относительно низких частотах. Аргументом в пользу некоторых источников как возможных IMBH является аналогия рентгеновских спектров с масштабированными рентгеновскими двойными системами с черными дырами звездной массы. Спектры рентгеновских двойных систем наблюдаются в различных переходных состояниях. Наиболее заметными из этих состояний являются состояния низкого/жесткого и высокого/мягкого типа (см. Remillard & McClintock 2006). Состояние низкого/жесткого типа или состояние, доминируемое степенным законом, характеризуется поглощенным спектром рентгеновского излучения в виде степенного закона со спектральным индексом от 1,5 до 2,0 (жесткий рентгеновский спектр). Исторически это состояние связывалось с более низкой светимостью, хотя более качественные наблюдения со спутников, таких как RXTE, показывают, что это не всегда так. Высокое/мягкое состояние характеризуется поглощенной тепловой компонентой (тепловым излучением 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 аккрецировать IMBH (см. Winter, Mushotzky, Reynolds 2006). Фоновые квазары — Значительная часть наблюдаемых ULX на самом деле является фоновыми источниками. Такие источники можно идентифицировать по очень низкой температуре (например, мягкий избыток в квазарах PG). Остатки сверхновых — Яркие остатки сверхновых (SN) могут достигать светимостей до 1039 эрг/с (1032 Вт). Если ULX является остатком сверхновой, он не изменяется в коротких временных масштабах и затухает в течение нескольких лет.

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.

Заметные ULX

Holmberg II X 1: Этот знаменитый ULX находится в карликовой галактике. Многочисленные наблюдения с помощью XMM выявили источник как в состоянии низкой/жесткой, так и высокой/мягкой энергии, что позволяет предположить, что этот источник может быть масштабированной рентгеновской двойной системой или аккрецирующей ИМЧД. M74: предположительно содержит черную дыру средней массы, что было зафиксировано при наблюдениях с помощью Chandra в 2005 году. M82 X 1: Это самый яркий из известных ULX (по состоянию на октябрь 2004 года) и часто рассматривается как наиболее вероятный кандидат на размещение черной дыры промежуточной массы. M82 X1 ассоциирован со звездным скоплением, демонстрирует квазипериодические колебания (QPOs) и имеет модуляцию амплитуды рентгеновского излучения с периодом 62 дня. M82 X 2: необычный ULX, который в 2014 году был обнаружен как пульсар, а не черная дыра. M101 X1: один из самых ярких ULX, с светимостью до 1041 эрг/с (1034 Вт). Этот ULX совпадает с оптическим источником, который интерпретируется как сверхгигантская звезда, что подтверждает предположение о том, что это может быть рентгеновская двойная система. NGC 1313 X1 и X2: NGC 1313, спиральная галактика в созвездии Сети, содержит два ультраярких источника рентгеновского излучения. У этих двух источников были обнаружены компоненты диска с низкой температурой, что было истолковано как возможное свидетельство наличия черной дыры промежуточной массы. Однако, хотя излучение в низком энергетическом диапазоне можно смоделировать как диск с низкой температурой, излучение в высоком энергетическом диапазоне противоречит гипотезе о черной дыре промежуточной массы. Более того, в NGC 1313 X 2 были зарегистрированы рентгеновские пульсации, идентифицирующие объект как нейтронную звезду. В то же время гипотеза о черной дыре промежуточной массы не может объяснить наличие больших оптических пузырей, окружающих каждый из ULX. Вероятнее всего, эти два ULX содержат нейтронные звезды или черные дыры звездной массы, аккрецирующие вещество со сверхэддингтоновской скоростью, а мощные ветры от аккреционного диска рассеяли окружающую их полость.