 |
Астронет: Astronet Очень массивная черная дыра в звездной системе нашей Галактики http://variable-stars.ru/db/msg/1173392/text |
4.12.2001 16:02 | Astronet
Одна из наиболее загадочных звездных систем в нашей Галактике оказывается скрывала
очень массивную черную дыру. В 14 раз более массивную, чем Солнце
[1].
Это самая массивная
из известных звездных черных дыр в Галактике.*
С помощью инструмента ISAAC на 8.2-м телескопе VLT ANTU на обсерватории Паранал (ESO), международный коллектив астрономов [2] "вглядывался" в далекую область Млечного Пути, где расположена двойная система GRS 1915+105, удаленная от нас почти на 40 000 световых лет.
Им удалось отождествить маломассивную звезду из которой истекает постоянный поток вещества, "питающий" черную дыру. Последующее детальное изучение системы позволило выяснить как эта звезда обращается вокруг своего "вечно голодного" компаньона. Анализ орбитального движения позволил оценить массу черной дыры.
Наблюдения массивной черной дыры в системе GRS 1915+105 поставили фундаментальные вопросы о том как образуются такие массивные звездные черны дыры и вращаются ли такие объекты вокруг своей оси.
Рисунок PR 31a/01:
Схематическое изображение двойной системы GRS 1915+105.
Рисунок PR 31b/01:
Спектр звезды-компаньна (прибор ISAAC).
Рисунок PR 31c/01:
Кривая лучевых скоростей, которая позволяет определить
массу черной дыры.
Миниатюрные квазары в нашей Галактике
На рисунке дано
художественное изображение двойной звездной системы GRS 1915+105 в
которой присутствует массивная черная дыра. Расстояние между звездой-донором и
аккрецирующей черной дырой равно примерно половине расстояния между Землей и
Солнцем. Рисунок показывает как нормальная звезда через аккреционный диск
снабжает веществом черную дыру, а также появление джетов (струй)
перпендикулярных к плоскости диска. В нижней половине рисунка синим показано
вещество, которое движется по спирали в аккреционном диске, а оранжевым -
свободно падающее на черную дыру. Дополнительная информация
об этом рисунке приведена ниже.
Несколько объектов в нашей Галактике выглядят как миниатюрные версии квазаров - чрезвычайно мощных источников энергии, расположенных в центрах далеких галактик. Похоже, что в центрах квазаров скрыты сверхмассивные черные дыры, а их излучение вызвано образованием вокруг черно дыры диска из горячего аккрецирующего вещества. Иногда из центров квазаров выбрасываются струи газа (джеты) со скоростями близкими к скорости света.
Микроквазар устроен практически также, только он в миллион раз меньше. В нашей Галактике есть двойные системы в которых более или менее нормальная звезда обращается вокруг компактного объекта - нейтронной звезды или черной дыры. У эти микроквазаров также наблюдаются мощные вспышки и признаки аккреции на компактный объект. Нет ничего удивительного в том, что большая часть загадок этих систем связана с тем, что в них также присутствуют черные дыры.
Открытие относительно близких к нам, в космологическом смысле, объектов, которые по своим проявлениям похожи на далекие квазары, дает нам новую интересную возможность лучше понять странные феномены, связанные с джетами и аккреционными дисками вокруг черных дыр.
GRS 1915+105 - уникальная галактическая лаборатория
Двойная система GRS 1915+105 - один из нескольких открытых в нашей Галактике микроквазаров. Она впервые была открыта в 1994 году Российским рентгеновским спутником "Гранат" (О чем говорит название источника - GRS = GRanat Source. Прим.Ред.). В рентгеновском диапазоне у источника GRS 1915+105 время от времени наблюдаются яркие вспышки.
Переменность рентгеновского излучения можно объяснить неустойчивостями в процессах выпадения вещества не черную дыру из внутренних областей аккреционного диска. Кроме того несколько раз наблюдались выброшенные из этого загадочного источника и летящие почти со скоростью света облака горячего газа. "Образцовый" микроквазар GRS 1915+105 стал основной основным объектом наблюдения для тех, кто изучает аккрецию на черные дыры звездных масс.
Система GRS 1915+105 лежит в созвездии Орла вблизи плоскости Галактики примерно в 40000 световых лет от Солнца. Огромное количество газа и пыли в галактической плоскости не позволяют увидеть систему в видимом свете. Большое поглощение существенно затрудняет детальное изучение данной системы, поэтому существование в ней массивной черной дыры все еще остается окончательно не доказанным**.
Отождествление нормального компонента
На рисунке показан инфракрасный спектр объекта GRS 1915+105,
полученный с помощью спектрографа ISAAC. Спектр был получен в ближней
инфракрасной области в полосе K (примерно 2.2 микрона) и показал ряд ранее
неизвестных свойств звезды-компаньона, вещество которого попадает на черную
дыру. Исследовав наличие свойства спектральных линий в спектре ученые
установили, что вторым компонентом двойной системы является маломассивная
звезда. Наблюдая за тем, как изменяется со временем положение линии оксида
углерода (CO), астрономы смогли определить орбитальное движение звезды-донора
(см., следующую фотографию).
Техническая информация об этом снимке приведена ниже.
Группа астрономов [2] приняла решение провести наблюдения системы GRS 1915+105 в таком спектральном диапазоне, где поглощение вызываемое пылью существенно меньше, чем в видимом свете. Это очень непростая задача, поскольку даже в инфракрасной области только несколько процентов света испускаемого объектом GRS 1915+105 достигает Земли после долгого путешествия сквозь пылевые облака. И нужен очень большой телескоп для того, чтобы зарегистрировать детали спектра GRS 1915+105.
Первая серия наблюдений этой системы с помощью многомодового спектрометра ISAAC на одном из четырех 8.2-м телескопов VLT (каждый из телескопов имеет собственное имя, наблюдения проводились на ANTU) была проведена летом 1999 года. В ходе этих наблюдений были получены спектры очень высокого качества с несколькими спектральными линиями (см. рисунок 2). В частности, целый ряд ранее не наблюдавшихся спектральных деталей, связанных с окисью углерода, были надежно отождествлены.
Эти линии формируются в атмосфере звезды, которая обращается вокруг черной дыры и снабжает ее своим веществом (выше мы уже называли ее "звездой-донором"). Для определения формы и положения именно спектральных линий, о которых идет речь, были нужны высококачественные инфракрасные спектры, поскольку только малая часть света приходит от звезды. И линии надо увидеть на фоне гораздо более сильного излучения аккреционного диска и выброшенного из него вещества.
После тщательного анализа наблюдаемых спектральных линий, астрономы пришли к заключению, что "донором" является маломассивная звезда, с массой примерно равной массе Солнца. Но это было только начало длительной наблюдательной программы.
Как она движется
На рисунке показана радиальная (лучевая) скорость
звезды-донора, определенная по допплеровскому смещению спектральных линий окиси
углерода (см. Рисунок 2). Кривая была построена по
16 наблюдениям на VLT ANTU/ISAAC с апреля по сентябрь 2000 года.
Периодограмма (верхний график) показывает, что орбитальный период длительностью
33.5 дней лучше всего описывает наблюдательные данные (приведенные на нижнем
графике). Орбитальная скорость, с которой звезда движется вокруг черной дыры,
составляет около 140 км/с.
Идентификация отдельных полос окиси углерода в спектре звезды-донора позволяет астрономам определить орбитальные движения в двойной системе. Поскольку звезда обращается вокруг темного компактного компаньона, то эффект Допплера будет вызывать небольшое изменение положения линий в спектре. Если мы измерим допплеровские смещение в различные моменты времени, то сможем узнать как быстро движется звезда и, следовательно, определить размеры и форму орбиты по которой она движется вокруг черной дыры. А это уже позволяет сказать какова должны быть масса невидимого объекта, чтобы видимая звезда двигалась по своей орбите. измерить массу невидимого
Серия наблюдений началась в апреле 2000 года и продолжалась до сентября. За это время было проведено 16 наблюдений. Как показали наблюдения, лучевая скорость звезды изменяется периодически с периодом 33.5 дней. За это время звезда-донор делает полный оборот вокруг компактного объекта. Кривая лучевых скоростей, свернутая с этим периодом, показана на Рисунке 3.
Зная орбитальное движение, можно легко получить нижний предел массы невидимого компактного объекта (так называемую функцию масс fv). Таким методом было показано, что масса невидимого компаньона в системе GRS 1915+105 больше 9.5 масс Солнца.
Природа компактного объекта
Невидимый компактный объект может быть либо нейтронной звездой, либо черной дырой. Различить эти две возможности достаточно трудно. Однако (из теории) известно, что нейтронные звезды не могут быть тяжелее примерно 3 масс Солнца. Если масса нейтронной звезды станет выше указанного предела, то она не сможет больше удерживать свой вес и быстро сколлапсирует в черную дыру. Нижний предел массы компактного объекта в GRS 1915+105 существенно выше максимальной возможной массы нейтронной звезды. Вывод ясен: компактный объект в системе GRS 1915+105 несомненно является черной дырой.
Однако астрономы смогли добиться большего - они получили не только нижний предел, но и реальное значение массы черной дыры. Во первых, изучение спектров звезды-донора позволило получить хорошую оценку массы этой звезды. Кроме того наблюдения джетов позволило наложить ограничение на наклон орбиты к лучу зрения. Имея такую дополнительную информацию астрономы пришли к окончательному выводу, что масса черной дыры равна 14 массам Солнца.
К сегодняшнему дню подобным образом было обнаружено существование черных более чем в десяти двойных системах Галактики. Но объект в системе GRS 1915+105 самая тяжелая из известных в Млечном Пути звездных черных дыр.
Следствия и нерешенные вопросы
Знание массы черной дыры в GRS 1915+105 важно для нескольких областей астрофизики. Во первых, до сих пор не ясно как такая массивная черная дыра могла образоваться в двойной звездной системе. Хорошо известно, что наиболее массивные звезды к концу своей жизни теряют существенную долю начальной массы из-за очень сильного звездного ветра. Взаимодействие между звездами в двойной системе может еще сильнее увеличить потерю массы. Остается выяснить, каким образом какая-нибудь из звезд смогла сохранить достаточно массы, чтобы в конце своей эволюции образовать черную дыру массой 14 масс Солнца.
Другой нерешенный вопрос связан с осевым вращением черной дыры. То, что некоторый черные дыры должны вращаться, следует из самых общих соображений. Теория предсказывает, что когда черная дыра в ту же сторону, что и аккреционный диск, то его внутренний край гораздо ближе подходит к черной дыре и оказывается гораздо горячее. Известны две очень горячих рентгеновские двойные - GRS 1915+105 и Новая Скорпиона. Как следствие, можно ожидать, что эти системы должны содержать черные дыры с очень быстрым вращением.
Совершенно другие указания на вращение черной дыры вытекают из квазипериодических осцилляций, которые наблюдаются у рентгеновских двойных. Считается, что эти осцилляции связаны с воздействием вращающейся черной дыры на окружающий ее аккреционный диск, хотя конкретный механизм такого воздействия до сих пор обсуждается.
Однако, только что проведенное определение массы черной дыры в системе GRS 1915+105 говорит нам, что ситуация может быть не такой простой, как казалось. На самом деле, если и GRS 1915+105, и Новая Скорпиона содержат быстро вращающиеся черные дыры, то ни одна из сегодняшних теорий квазипериодических осцилляций не работает. И, как это часто случается в науке, новая информация порождает новые загадки.
Другие публикации
Более подробно о данном исследовании вы сможете прочесть в статье J.Greiner, M.McCaughrean и J.-G.Cuby "GRS 1915+105 - An unusually massive stellar black hole in the Galaxy" (Дж.Грейнер, М.МакКагрен и Ж.-Г.Куби "GRS 1915+105 - необыкновенно массивная галактическая звездная черная дыра"), которая будет опубликована 29 ноября 2001 г. в журнале "Nature". Первая часть исследования описана в работе Грейнера и соавторов "Идентификация звезды-донора в рентгеновской двойной системе GRS 1915+105", которая в июле 2001 г. была опубликована в европейском научном журнале "Astronomy and Astrophysics".
Замечания
[1]: 1 масса Солнца = 2.1030 кг. Масса черной дыры в двойной рентгеновской системе GRS 1915+105, соответственно, составляет 30,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 кг.
[2]: В научную группу входили: Jochen Greiner (Дж.Грейнер) и Mark McCaughrean (М.МакКагрен) из Потсдамского астрофизического института, Германия и Jean-Gabriel Cuby (Ж.-Г.Куби) из Южной европейской обсерватории (ESO) в Чили.
Замечания переводчика
[*] "Это самая массивная из известных звездных черных дыр в Галактике ..." - если вы посмотрите в любую работу, посвященную кандидатам в черные дыры (например, в статью Черепащука). то увидите несколько объектов, верхний предел массы черной дыры в которых превышает значение для GRS 1915+105 (14 масс Солнца). Надо, конечно, отметить, что массы черных дыр в этих системах определены очень неточно. А вот функция масс fv=9.5Mo (и нижний предел массы черной дыры) у системы GRS 1915+105 самый большой из всех известных на сегодня кандидатов в черные дыры.
[**] "... поэтому существование в системе GRS 1915+105 массивной черной дыры все еще остается окончательно не доказанным ..." - подробнее о поисках кандидатов в черные дыры в рентгеновских двойных системах можно прочитать здесь.
Техническая информация о фотографиях
Верхняя часть рисунка Photo 31a/01 была построена с помощью программы предоставленной Робертом Хайнсом (Robert Hynes) из Университета Саутгемптона, Великобритания. Photo 31b/01 со спектром системы GRS 1915+105 в К-полосе была получена на 8.2-м телескопе VLT ANTU обсерватории Паранал с помощью спектрографа ISAAC. Он представляет собой сумму пяти спектров, каждый из которых был получен за 8 экспозиций по 250 секунд каждая. Таким образом полное время экспонирования составило 167 минут. Щель спектрографа была равна 1 угловой секунды, при этом спектральное разрешение составляло примерно 3000.
Как связаться с авторами
Jochen Greiner
Astrophysical Institute Potsdam
Potsdam, Germany
Tel.:+49 331 7499 532
email: jgreiner@aip.de
(Данная статья представляет собой перевод пресс-релиза ESO N 24 за 2001 год. Перевод М.Е.Прохорова.)