Астронет > Объект SS 433

Астронет: А. М. Черепащук, "Физика Космоса", 1986 Объект SS 433
http://variable-stars.ru/db/msg/1201981

Объект SS 433

получил своё название по порядковому номеру в каталоге Сандьюлика и Стивенсона (Sanduleak N., Stephenson С. В.; США), содержащему звёзды с сильной эмиссионной линией Н $_\alpha$ . В "Общем каталоге переменных звёзд" он обозначен как V 1343 Орла. Это слабый галактич. звездообразный объект, испытывающий сильное покраснение за счёт межзвёздного поглощения света; его визуальная звёздная величина меняется прибл. от 13 до 15^m. SS 433 явл. также источником радио и рентг. излучения. Расстояние до SS 433 $\approx$ 5 кпк, он расположен в центре пекулярного остатка вспышки сверхновой, т.н. плериона W 50 с возрастом. 10⁴-10⁵ лет.

Уникальной особенностью этого объекта явл. наличие в его спектре трёх систем сильных эмиссионных линий водорода и нейтрального гелия (рис. 1). Длины волн т.н. стационарных линий близки к их лабораторным значениям. Две др. системы линий перемещаются по спектру с периодом 164 сут, причём смещения ( $\Delta\lambda=\lambda-\lambda_0$ , где $\lambda,\; \lambda_0$ - соответственно наблюдаемая и лабораторная длины волн спектр. линий) достигают громадной величины, ~1000 $\AA$ (рис. 2), соответствующие лучевые скорости (см. Доплера эффект) меняются от $+5\cdot 10^4$ до $-3\cdot 10^4$ км/с. Центр симметрии смещения подвижных эмиссионных линий сдвинут относительно стационарных линий в красную часть спектра приблизительно на двести ангстрем.

Рис. 1. Оптический спектр SS 433. Знаками плюс и минус
помечены подвижные эмиссионные линии Н $_\alpha$ , Н $_\beta$ ,
Н $_\gamma$ , Hel. Кружками отмечены линии, образующиеся
при поглощении излучения в земной атмосфере.

Эта картина совместима с представлением о том, что подвижные эмиссионные линии возникают в двух противоположно направленных коллимирован-ных (угол расходимости меньше 6^o) выбросах сравнительно холодного (темп-ра ~ 10⁴ К) газа, движущегося со скоростью $\approx 8\cdot 10^4$ км/с (0,27 с!). Концентрация атомов в выбросах ~10¹¹ см^-3, размеры выбросов, видимых в оптич. диапазоне, ~ 10¹²-10¹⁵ см. Оба выброса прецессируют с периодом 164 сут, причём угол между направлением выбросов и осью прецессии составляет 20^o, а угол между лучом зрения и осью прецессии близок к 79^o (рис. 3). Постоянное красное смещение центра симметрии подвижных эмиссионных линий связано с поперечным эффектом Доплера и отражает релятивистский эффект замедления хода времени в газовых выбросах с точки зрения земного наблюдателя.

Рис. 2. Изменение положений $\left({\lambda-\lambda_0\over{\lambda_0}} \right)$ подвижных эмиссионных линий
в спектре SS 433 с фазой 164-суточного периода.

Профили подвижных эмиссионных линий переменны, имеют многокомпонентную структуру. Это свидетельствует о том, что вещество в релятивистских газовых струях выбрасывается в виде отдельных сгустков. Отсутствие существенной поляризации линейчатого излучения (после учёта поляризации, связанной с сильным межзвёздным поглощением) исключает когерентные (напр., лазерные) механизмы формирования подвижных эмиссионных линий.

Рис. 3. Кинематическая модель SS 433.

Стационарные эмиссионные линии также имеют переменные во времени профили и интенсивности. В частности, в моменты макс. раздвижения подвижных эмиссионных линий (моменты Т₃) профиль стационарной линии Н $_\alpha$ однокомпонентный и имеет ширину, соответствующую разбросу скоростей ~1000 км/с, а в моменты совпадения подвижных линий Т₁ и Т₂) этот профиль многокомпонентный и имеет втрое большую ширину. Интенсивность стационарной линии Н $_\alpha$ коррелирует с фазой $\psi$ прецессионного 164-суточного периода. Иногда наблюдаются вспышки оптич. излучения с амплитудой до 0,5^m и характерным временем от неск. часов до неск. суток. Эти вспышки сопровождаются резким увеличением ширины и интенсивности стационарной линии Н $_\alpha$ (до трёх раз). По-видимому, оптич. вспышки SS 433 коррелируют с радиовспышками этого объекта, причём радиовспышки запаздывают относительно оптических в среднем на 1 сут.

Наличие мощного стационарного эмиссионного линейчатого спектра, а также данные наблюдений в ИК-диапазоне свидетельствуют о том, что в SS 433 помимо коллимированных релятивистских выбросов имеется также квазисферич. истечение вещества со скоростью $\approx$ 2000 км/с и огромным темпом потери массы, $\sim 10^{-4} {\mathfrak M}_\odot$ в год.

Узкие эмиссионные пики стационарных линий Н $_\alpha$ , Н $_\beta$ и стационарная линия ионизованного гелия Hell с $$\lambda=4686$ \AA$ испытывают доплеровские сдвиги с периодом 13,08^d; для Н $_\alpha$ , Н $_\beta$ полуамплитуда $\approx$ 70 км/с, для Hell (4686 $\AA$ ) $\approx$ 195 км/с. С этим же периодом меняется и блеск SS 433, причём в моменты, близкие к моментам Т₃, кривая блеска обнаруживает чётко выраженные минимумы глубиной до 0,7^m, связанные с затмениями. Соотношение фаз кривых блеска и лучевых скоростей доказывает, что SS 433 явл. затменной двойной системой, состоящей из нормальной звезды и аккреционного диска, причём в момент главного минимума наблюдается затмение нормальной звездой оптически яркого аккреционного диска, окружающего компактный объект. Внезатменный блеск системы, форма кривой блеска и глубины минимумов, связанных с затмениями, меняются с фазой 164-суточного периода так, что максимум внезатменного блеска наблюдается в моменты Т₃. Сводная кривая регулярных изменений блеска SS 433 и кривые лучевых скоростей, определённых по подвижным эмиссионным линиям, приведены на рис. 4.

Рис. 4. Сводная кривая регулярных изменений
блеска SS 433 (вверху) и схематические кривые
лучевых скоростей, определённых по подвижным
эмиссионным линиям (внизу). Стрелками
отмечены моменты главных минимумов
орбитальной 13-суточной переменности. I -
интенсивность оптического излучения системы,
I=1 соответствует 14^m.

Эти данные непосредственно указывают на то, что в системе SS 433 имеется оптически яркий аккреционный диск, прецессирующий с периодом 164 суток, а релятивистские газовые выбросы перпендикулярны плоскости диска. Переменная линейная поляризация оптич. излучения SS 433 с амплитудой $\approx$ 1% также свидетельствует о наличии прецессионных явлений, поскольку она коррелирует с фазой 164-суточного периода. Изменения интенсивности стационарной эмиссионной линии Н $_\alpha$ непосредственно указывают на то, что мощное квазисферическое истечение вещества со скоростями ~ 10³ км/с происходит в основном из аккреционного диска. Анализ фотометрич. данных также приводит к заключению, что аккреционный диск имеет мощную атмосферу из оттекающего вещества и может рассматриваться как геометрически толстое образование со сжатием $\approx$ 1/3. Вся двойная система погружена в общую оболочку из оттекающего вещества со ср. концентрацией атомов ~ 10¹⁰-10¹¹ см^-3 и размерами ~ 10¹³ см.

Рис. 5. Модель объекта SS 433 как массивной
двойной системы с прецессирующим оптически
ярким аккреционным диском.

Детальная UВVRIHK-фотометрия (см. Астрофотометрия) SS 433 в разных фазах орбитального и прецессионного периодов показывает, что полное межзвёздное поглощение (A_V) для SS 433 составляет 7,4-8,3^m, нормальная звезда имеет цветовую температуру $(1,3-4,3)\cdot 10^4$ K (разброс обусловлен неопределённостью величины A_V), радиус 28-47 $R_\odot$ , темп-ра аккреционного диска, по-видимому, более 50000 К, его размеры $\approx 2\cdot 10^{12}$ см, болометрич. светимость достигает 10⁴⁰ эрг/с.

Функция масс системы $f({\mathfrak M})={\mathfrak M}_1^3\sin^3 i/({\mathfrak M}_1+{\mathfrak M}_2)^2$ ( ${\mathfrak M}_1$ и ${\mathfrak M}_2$ - массы норм. звезды и компактного объекта, i - наклонение орбиты, равное 79^o, согласно данным наблюдений выбросов), определённая по кривой лучевых скоростей для линии Hell 4686 $\AA$ , формирующейся в горячем аккреционном диске, равна ~10 ${\mathfrak M}_\odot$ . Отсюда следует, что ${\mathfrak M}_1> 10 {\mathfrak M}_\odot$ . Расстояние между компонентами системы равно $4\cdot 10^{12}$ см, орбита системы, по-видимому, близка к круговой. Масса компактного объекта пока известна лишь с большой неопределённостью, что не позволяет сделать окончательный выбор между нейтронной звездой и чёрной дырой. Косвенные оценки ${\mathfrak M}_2$ , основанные на анализе кривых затмений SS 433, дают значение ${\mathfrak M}_2 > 5 {\mathfrak M}_\odot$ , что явл. аргументом в пользу наличия чёрной дыры в системе SS 433.

Можно считать твердо установленным, что SS 433 явл. затменной двойной системой (с периодом обращения 13,08^d), состоящей из массивной ОВ-звезды и компактного релятивистского объекта, окруженного оптически ярким аккреционным диском, прецессирующим с периодом 164 сут (рис. 5). По своим характеристикам SS 433 представляет собой массивную рентгеновскую двойную систему (типа Лебедь Х-1 или Кентавр Х-3) на стадии эволюции, когда нормальная звезда, расширившись в процессе своей ядерной эволюции, заполнила свою полость Роша и истекает через внутр. точку Лагранжа с темпом $\dot{\mathfrak M}\approx 10^{-4} {\mathfrak M}_\odot$ в год. Столь высокий темп поступления вещества в аккреционный диск приводит к сверхкритич. режиму аккреции, когда светимость диска значительно превышает критическую светимость, а мощное рентг. излучение полностью перерабатывается в оптически толстом диске в излучение оптич. диапазона (рентг. излучение поглощается, нагревает вещество, к-рое в результате излучает в оптич. диапазоне). Как следует из теории, во внутр. частях сверхкритич. аккреционного диска под действием давления излучения должно формироваться мощное квазисферич. истечение вещества, что и наблюдается у SS 433. Рентг. светимость SS 433 (точечного источника) относительно мала (~ 10³⁵ эрг/с) и не подвержена затмениям. Это свидетельствует о том, что, в отличие от классич. рентг. двойных систем (см. Рентгеновские пульсары, Рентгеновская астрономия), в SS 433 рентг. излучение формируется за пределами двойной системы при столкновении звездного ветра с межзвёздной средой. От классич. рентг. двойных систем SS 433 отличается также отсутствием флуктуации оптич. и рентг. излучения на временных интервалах короче 1 мин. Отсутствуют также регулярные пульсации оптич. и рентг. излучения.

Эффект воздействия релятивистских выбросов на структуру туманности W 50 обнаружен как в радио-, так и в рентг. диапазонах. На расстоянии $\approx$ 50 пк от SS 433 открыта слабая тонковолокнистая оптич. туманность, образовавшаяся из межзвёздного вещества, нагребённого выбросами. Это позволило измерить поток кинетич. энергии в выбросах (10³⁹-10⁴⁰ эрг/с). Соответствующий темп потери массы $\sim 10^{-6}-10^{-7} {\mathfrak M}_\odot$ в год, что на 2-3 порядка меньше потери массы с поверхности сверхкритич. аккреционного диска в виде звёздного ветра. Радиоинтерферометрич. наблюдения обнаруживают наличие у SS 433 компактного радиоисточника вытянутой формы размером 10¹⁵-10¹⁷ см. Наблюдаются изменения радиоструктуры ближайших окрестностей SS 433, непосредственно отражающие прецессию релятивистских газовых выбросов. Наблюдения за угловым удалением от SS 433 отдельных деталей этой радиоструктуры (в совокупности с данными о скоростях истечения вещества) позволили дать прямую оценку расстояния до SS 433, оно оказалось равным $\approx$ 5,1 кпк.

Рентг. изображение туманности W 50 в диапазоне энергий 0,5-4 кэВ имеет вид двух противоположно направленных струй длиной до 50 пк, к-рые, скорее всего, сформировались при взаимодействии вещества релятивистских выбросов с межзвёздной средой. В связи с интерпретацией наблюдат. данных об SS 433 возникают следующие вопросы. 1) Почему аккреционный диск вокруг релятивистского объекта прецессирует? 2) Является ли релятивистский объект нейтронной звездой или чёрной дырой? 3) Каков механизм коллимации и столь плавного ускорения холодной плазмы в выбросах до релятивистских скоростей?

Ясных ответов на каждый из поставленных вопросов пока нет, существует несколько возможных путей их решения.

1) Прецессия аккреционного диска может быть связана с вынужденной прецессией оси вращения нормальной звезды, к-рая ориентирована неперпендикулярно плоскости орбиты в результате произошедшего в двойной системе слабоасимметричного взрыва сверхновой. Изменение направления оси вращения нормальной звезды приводит к изменению ориентации газовых потоков, формирующих аккреционный диск ("плавающий" диск, отслеживающий прецессию нормальной звезды). Рассматривались также и др. модели прецессирующего диска.

2) Для окончательного решения вопроса о наличии чёрной дыры или нейтронной звезды в системе SS 433 необходимы поиск линий поглощения нормальной ОВ-звезды в спектре этого объекта и построение соответствующей кривой лучевых скоростей. Спектральные наблюдения пока не обнаруживают следов абсорбционных линий нормальной звезды, к-рые могут быть замыты эмиссионными компонентами и маскироваться излучением аккреционного диска (его вклад в суммарную оптич. светимость системы достигает 60%).

3) По-видимому, определяющим фактором в ускорении и коллимации вещества в релятивистских выбросах явл. сверхкритич. режим аккреции и связанное с ним давление излучения, в частности давление в резонансных линиях (хотя нельзя полностью исключить роль др. механизмов ускорения и коллимации, таких, напр., как активность молодого пульсара). Пожалуй, самым удивительным свойством SS 433 явл. то, что в виде потока кинетич. энергии холодного газа в релятивистских выбросах уносится ~ 10³⁹-10⁴⁰ эрг/с - столько же, сколько в виде радиации с поверхности диска. Будучи массивной рентг. двойной системой на очень кратковременной стадии эволюции (~10⁴ лет), SS 433 представляет собой весьма редкое явление. В Галактике должны существовать лишь единицы таких объектов. Исследования SS 433 имеют принципиальное значение для понимания природы активности ядер галактик и квазаров, где также наблюдаются коллимированные выбросы газа. Возможно, что в SS 433 в миниатюре протекают те же процессы, что и в этих объектах.

(А.М. Черепащук)

А. М. Черепащук, "Физика Космоса", 1986
Глоссарий Astronet.ru