NASA розкриває секрет ультрасвітлових джерел рентгенівського випромінювання

Екзотичні космічні об’єкти, відомі як джерела ультрасвітового рентгенівського випромінювання, виробляють приблизно в 10 мільйонів разів більше енергії, ніж Сонце. Насправді вони настільки сяючі, що, здається, перевищують фізичну межу, яка називається межею Еддінгтона, яка обмежує те, наскільки яскравим може бути об’єкт на основі його маси. Ультрасвітящі джерела рентгенівського випромінювання (ULX, скорочено) регулярно перевищують цю межу в 100-500 разів, залишаючи вчених збентеженими.

У недавньому дослідженні, опублікованому в The Astrophysical Journal, дослідники повідомляють про перше у своєму роді вимірювання ULX, зроблене за допомогою масиву ядерного спектроскопічного телескопа NASA (NuSTAR). Знахідка підтверджує, що ці випромінювачі світла дійсно такі яскраві, як здаються, і що вони порушують межу Еддінгтона. Гіпотеза припускає, що така неймовірна яскравість пояснюється сильними магнітними полями ULX. Але вчені можуть перевірити цю ідею лише за допомогою спостережень: магнітні поля ULX, які в мільярди разів потужніші за найсильніші магніти, коли-небудь створені на Землі, не можуть бути відтворені в лабораторії.

Ілюстрація космічного корабля NuSTAR, який має 30-футову (10-метрову) щоглу, яка відділяє оптичні модулі (праворуч) від детекторів у фокальній площині (ліворуч). Це розділення необхідне для методу, що використовується для виявлення рентгенівського випромінювання

Порушення межі

Частинки світла, звані фотонами, чинять невеликий поштовх на об’єкти, з якими вони стикаються. Якщо такий космічний об’єкт, як ULX, випромінює достатньо світла на квадратний фут, зовнішній поштовх фотонів може перевищити внутрішнє тяжіння гравітації об’єкта. Коли це відбувається, об’єкт досяг межі Еддінгтона, і світло від об’єкта теоретично відштовхне будь-який газ чи інший матеріал, що падає на нього.

Це перемикання, коли світло переважає гравітацію, має важливе значення, оскільки матеріал, що падає на ULX, є джерелом його яскравості. Це те, що вчені часто спостерігають у чорних дірах: коли сильна гравітація втягує блукаючий газ і пил, ці матеріали можуть нагріватися та випромінювати світло. Раніше вчені вважали, що ULX — це чорні діри, оточені яскравими газовими сховищами. Але у 2014 році дані NuSTAR показали, що ULX під назвою M82 X-2 насправді є менш масивним об’єктом під назвою нейтронна зірка. Подібно до чорних дір, нейтронні зірки утворюються, коли зірка гине та руйнується, збираючи більше, ніж маса нашого Сонця, на території, не набагато більшій за місто середнього розміру.

Ця неймовірна щільність також створює гравітаційне тяжіння на поверхні нейтронної зірки приблизно в 100 трильйонів разів сильніше, ніж гравітаційне тяжіння на поверхні Землі. Газ та інший матеріал, втягнутий цією гравітацією, прискорюється до мільйонів миль на годину, вивільняючи величезну енергію, коли вони стикаються з поверхнею нейтронної зірки. (Зефір, упущений на поверхню нейтронної зірки, вдарив би її з енергією тисячі водневих бомб.) Це створює рентгенівське світло високої енергії, яке виявляє NuSTAR.

Нещодавнє дослідження було націлено на той самий ULX, який був основою відкриття 2014 року, і виявило, що, як космічний паразит, M82 X-2 викрадає приблизно 9 мільярдів трильйонів тонн матеріалу на рік із сусідньої зірки, або приблизно в 1,5 раза більше. маса Землі. Знаючи кількість матеріалу, що потрапляє на поверхню нейтронної зірки, вчені можуть оцінити, наскільки яскравим має бути ULX, і їхні розрахунки відповідають незалежним вимірюванням його яскравості. Робота підтвердила, що M82 X-2 перевищує ліміт Еддінгтона.

Ніяких ілюзій

Якщо вчені зможуть підтвердити яскравість більшої кількості ULX, вони можуть заперечити гіпотезу, яка б пояснила видиму яскравість цих об’єктів без того, щоб ULX перевищували межу Еддінгтона. Ця гіпотеза, заснована на спостереженнях інших космічних об’єктів, припускає, що сильні вітри утворюють порожнистий конус навколо джерела світла, концентруючи більшу частину випромінювання в одному напрямку. Якщо направити конус прямо на Землю, він може створити щось на кшталт оптичної ілюзії, створюючи неправдиве враження, ніби ULX перевищує межу яскравості.

Навіть якщо це так для деяких ULX, альтернативна гіпотеза, підтверджена новим дослідженням, припускає, що сильні магнітні поля спотворюють приблизно сферичні атоми в витягнуті струністи форми. Це зменшило б здатність фотонів відштовхувати атоми, зрештою збільшуючи максимально можливу яскравість об’єкта.

«Ці спостереження дозволяють нам побачити вплив цих неймовірно сильних магнітних полів, які ми ніколи не зможемо відтворити на Землі за допомогою сучасних технологій», — сказав Маттео Бачетті, астрофізик з обсерваторії Кальярі Національного інституту астрофізики в Італії та провідний автор нещодавнього дослідження. . «Це краса астрономії. Спостерігаючи за небом, ми розширюємо свої можливості досліджувати, як працює Всесвіт. З іншого боку, ми не можемо провести експерименти, щоб отримати швидкі відповіді; ми повинні дочекатися, поки Всесвіт покаже нам свої таємниці».