Silne wiatry z tajemniczych rentgenowskich układów podwójnych

Źródło: ESA–C. Carreau
Źródło: ESA–C. Carreau

Obserwatorium XMM-Newton (ESA) odkryło gaz uciekający z prędkością równą 1/4 prędkości światła z bardzo jasnych w zakresie rentgenowskim układów podwójnych w dwóch pobliskich galaktykach.

W zakresie promieniowania rentgenowskiego niebo zdominowane jest przez dwa typy obiektów astronomicznych: supermasywne czarne dziury siedzące w centrach dużych galaktyk i łapczywie pochłaniające materię je otaczającą, oraz układy podwójne składające się z pozostałości po byłych gwiazdach – białego karła, gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury – i odzieranej przez nie z materii gwiazdy towarzysza.

W obu przypadkach otaczający te obiekty gaz tworzy obracający się dysk wokół kompaktowego i bardzo gęstego obiektu centralnego: tarcie w dysku prowadzi do ogrzewania gazu i emitowania promieniowania w szerokim zakresie. Najjaśniej taki gaz świeci w zakresie rentgenowskim.

Jednak nie cały gaz otaczający masywny obiekt jest przez niego pochłaniany, część gazu może zostać wypchana w przestrzeń kosmiczną przez silne wiatry i dżety.

W latach osiemdziesiątych odkryto pośrednią klasę obiektów, której do dzisiaj nie udało się w pełni zrozumieć. Dziesiątki do setek razy jaśniejsze niż zwykłe jasne rentgenowsko układy podwójne, owe źródła świecą zbyt słabo, aby można je było łączyć z supermasywnymi czarnymi dziurami, tym bardziej, że odkrywa się je z daleka od centrum galaktyk macierzystych.

„Uważamy, że te ‚ultra-jasne źródła rentgenowskie’ to specjalna klasa układów podwójnych, pochłaniających gaz w dużo większym tempie niż zwykłe rentgenowskie układy podwójne,” mówi Ciro Pinto z Institute of Astronomy w Cambridge w Wielkiej Brytanii.

„W niektórych z nich mogą znajdować się wysoce magnetyczne gwiazdy neutronowe, a w innych mogą skrywać się od dawna poszukiwane czarne dziury o masie pośredniej równej ok. 1000 masom Słońca. Jednak w większości przypadków, powód nietypowego zachowania układu jest wciąż nieznany.”

Ciro jest głównym autorem nowego badania wykonywanego na danych zebranych za pomocą obserwatorium XMM-Newton, w którym po raz pierwszy opisuje silne wiatry uciekające z ogromną prędkością z dwóch tego typu egzotycznych obiektów. Artykuł opublikowany w tym tygodniu w periodyku  Nature potwierdza, że te źródła charakteryzują się kompaktowym obiektem pochłaniającym materię w wyjątkowo szybkim tempie.

Ciro wraz ze współpracownikami zanurzył się w archiwalne dane z teleskopu XMM-Newton, skąd wyłowił obserwacje trzech ultra-jasnych źródeł rentgenowskich znajdujących się w pobliskich galaktykach w odległości mniejszej niż 22 miliony lat świetlnych od Drogi Mlecznej.

Dane te zostały zebrane w ciągu kilku lat za pomocą Reflection Grating Spectrometer – bardzo czułego instrumentu, który pozwolił naukowcom dostrzec bardzo delikatne cechy widma promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez te źródła.

We wszystkich trzech źródłach, naukowcom udało się zidentyfikować emisję rentgenowską gazu pochodzącego z zewnętrznych fragmentów dysku otaczającego centralny, kompaktowy obiekt.

Jednak w dwóch z tych trzech źródeł – znanych jako NGC 1313 X-1 oraz NGC 5408 X-1 – widać także wyraźne znaki promieniowania rentgenowskiego pochłanianego przez gaz uciekający od centralnego obiektu z prędkością blisko 70 000 km/s.

„To pierwszy raz kiedy udało nam się zaobserwować wiatry emitowane przez ultra-jasne źródła rentgenowskie,” mówi Ciro.

„I to nie wszystko, bardzo duża prędkość wypływów mówi nam dość dużo o naturze kompaktowego obiektu we wnętrzu źródła, pożerającego materię w zastraszającym tempie.”

Gorący gaz wciągany przez grawitację kompaktowego obiektu mocno się rozgrzewa i jasno świeci, ciśnienie tego promieniowania wypycha gaz na zewnątrz. To swego rodzaju równowaga: im większa masa, tym szybciej przyciąga otaczający gaz. Z tego też powodu gaz szybciej się podgrzewa, emituje więcej promieniowania, a to prowadzi do wzrostu ciśnienia, które odpycha gaz.

Istnieje też teoretyczne ograniczenie ilości materii, która może ulec akrecji przez obiekt o danej masie – to ograniczenie to tzw. jasność Eddingtona. Jasność Eddingtona po raz pierwszy wyliczona została przez Arthura Eddingtona dla gwiazd, jednak może być także zastosowana do kompaktowych obiektów takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe.

Obliczenia Eddingtona odnoszą się do idealnego przypadku, w którym materia ulegająca akrecji na centralny obiekt oraz promieniowanie emitowane przez ten obiekt robią to równomiernie, we wszystkich kierunkach.

Jednak obiekty badane przez Ciro i jego współpracowników zasilane są przez dysk akrecyjny prawdopodobnie rozdymany przez wewnętrzne ciśnienie gazu z dużą prędkością podążającego ku centralnemu obiektowi.

W takiej konfiguracji materia dysku może świecić 10 lub więcej razy jaśniej niż wynika z jasności Eddingtona, a z części gazu, której uda się wymknąć z grawitacyjnego uścisku, powstają bardzo szybkie wiatry takie jak te obserwowane przez XMM-Newton.

„Obserwując źródła rentgenowskie świecące jaśniej niż wynika z obliczeń jasności Eddingtona, możemy bardzo szczegółowo badać proces akrecji, sprawdzając jak bardzo można przekroczyć to ograniczenie i co powoduje powstanie tak silnych wiatrów,” mówi Norbert Schartel, naukowiec projektu XMM-Newton.

Natura kompaktowych obiektów znajdujących się w tych źródłach wciąż jednak pozostaje nieuchwytna, choć naukowcy podejrzewają, że mogą to być czarne dziury o masie kilkudziesięciu mas Słońca.

Źródło: ESA