Российские астрофизики раскрыли загадку свечения Галактики в рентгене

Группа российских астрофизиков из Института космических исследований РАН решила загадку природы рентгеновского излучения диска нашей Галактики.

Загадочное свечение диска Галактики в рентгеновских лучах, открытое более 25 лет назад, наконец-то нашло свое объяснение. Ученые ИКИ РАН под руководством Михаила Ревнивцева экспериментально показали, что рентгеновское излучение диска нашей Галактики складывается из излучений миллионов слабых источников - в основном так называемых белых карликов и звезд с активными коронами.

Рентгеновское излучение, распределенное вдоль галактической плоскости называется «хребтом Галактики», его природа долгое время оставалась загадкой для астрономов всего мира. Проблема заключалась в том, что оно имеет все признаки излучения очень горячего газа  с температурой 10 - 100 миллионов градусов. Столь горячий газ часто находят в гигантских скоплениях галактик, чья масса, в сотни и тысячи раз больше массы нашей Галактики (например, 10¹⁴ -10¹⁵ масс Солнца — сто или даже тысяча триллионов), что позволяет удерживать его от «разбегания». Но сохранить такой газ в диске нашей Галактики не представляется никакой возможности. Если же предположить, что газ улетает из Галактики, то энергия, необходимая, чтобы восполнить постоянные потери, превышает все известные нам резервуары энергии в Галактике.

Таким образом, обнаруженное 25 лет назад галактическое рентгеновское «свечение» требовало либо пересмотра нашего понимания энергетики Галактики, либо альтернативного объяснения его возникновения.

Одна из возможных гипотез формирования рентгеновского хребта Галактики — сложение большого количества слабых, не различимых для предыдущих орбитальных обсерваторий, источников, подобно тому, как видимое глазу излучение Млечного пути складывается из света многих далеких и от этого очень слабых звезд. Однако такая гипотеза, впервые высказанная более 20 лет назад, долгое время считалась нереальной.

Крутой поворот произошел благодаря циклу работ Михаила Ревнивцева и его коллег из ИКИ РАН. Гипотеза впервые была косвенно подтверждена благодаря комплексным исследованиям, проведенным при помощи орбитальной обсерватории RXTE (НАСА). Михаил Ревнивцев и его коллеги смогли получить высококачественную карту хребта Галактики и показать, что распределение излучения хребта Галактики на небе очень близко повторяет распределение обычных звезд.

Кроме того, «перепись» слабо излучающего рентгеновского населения нашей Галактики, проведенная Сергеем Сазоновым и его коллегами из ИКИ РАН, прямо указала на возможные классы источников, которые дают вклад в протяженное свечение «хребта». Ими оказались, во-первых, аккрецирующие белые карлики  остатки «умерших» звезд, чье вещество практически полностью выгорело. Размеры их очень малы, а масса и плотность необычайно велики, поэтому они обладают сильным гравитационным полем. Из-за этого белый карлик, входящий в двойную звездную систему, мало-помалу «стягивает» вещество со второй звезды (процесс падения вещества и называется аккрецией), которое разогревается до высоких температур и рождает рентгеновское излучение. Второй класс источников  звезды с активными коронами, в тысячи раз активнее нашего Солнца.

Следующей ступенью в разрешении загадки формирования галактического «хребта» должно было стать прямое разделение рентгеновского излучения на отдельные источники. С этой целью группа, возглавляемая Михаилом Ревнивцевым, в 2008 году провели сверхглубокое наблюдение области галактической плоскости с помощью орбитальной обсерватории Chandra (НАСА), с лучшим в мире в настоящее время угловым разрешением в рентгеновских лучах. Для наблюдений была специально выбрана область галактической плоскости, как можно более близкая к центру Галактики, чтобы сигнал от загадочного галактического «свечения» был максимален, а межзвездное поглощение  минимально (иными словами, из этой области рентгеновские лучи идут к наблюдателю практически беспрепятственно). Общая продолжительность наблюдения составила около миллиона секунд, т.е. более 11 дней непрерывных наблюдений определенной точки на небе.

Наблюдения дали уникальные по богатству данные. В кружке радиусом всего 2,5 угловые минуты (т.е. приблизительно в 10 раз меньше размера полной Луны на небе) было обнаружено 473 (!) отдельных источника рентгеновского излучения. Большинство из них, по всей видимости, являются аккрецирующими белыми карликами и звездами с активными коронами. Достаточно сказать, что самые слабые из обнаруженных источников рентгеновского излучения дали за все время наблюдений всего по несколько фотонов. Т.е. фактически обнаружены объекты, от которых на Землю за несколько дней приходит всего 1 фотон на телескоп с диаметром более метра!

По результатам наблюдений было показано, что рентгеновское излучение действительно обладает составной природой. В частности, на энергиях более 5-7 кэВ (рентгеновский диапазон электромагнитного излучения) обнаруженные точечные источники позволяют объяснить (88 +- 12%) всего галактического свечения в исследованном направлении - практически, всё или большую его часть. Из оставшейся неразрешенной доли свечения значительный вклад могут вносить источники, еще более слабые, чем те, которые были обнаружены в проведенных наблюдениях. Кроме этого, малая часть может принадлежать горячей разреженной межзвездной среде, разогретой взрывами сверхновых.

Теперь астрофизики решают задачу тщательного изучения данных по галактическим источникам рентгеновского излучения. Для этого требуется значительно улучшить понимание звездного населения в выбранной области, то есть получить максимально возможную информацию о нем во всех спектральных диапазонах, включая инфракарсный и оптический.

Выбранная область хорошо «рассмотрена» в инфракрасном диапазоне (орбитальная обсерватория Spitzer, НАСА). Но в оптическом диапазоне, к сожалению, до недавнего времени такой картины не было, только малую часть области наблюдал космический телескоп им. Хаббла. Чтобы исправить это положение, группа астрофизиков из ИКИ РАН под руководством Родиона Буренина провела большую наблюдательную кампанию на Российско-Турецком телескопе РТТ-150. Ее данные позволили получить основные характеристики звездного населения в этой области: возраст, типичное расстояние от Солнца и т.д. Кроме этого, на их основе можно измерить межзвездное поглощение на луче зрения в исследуемой области, то есть, фактически, понять, насколько сигнал от далеких объектов ослабляется на пути к наблюдателю. Планируется также получить изображения этой области на 6-метровом телескопе «Магеллан» (Чили). Огромным шагом вперед в должен стать рентгеновский обзор всего неба астрофизической орбитальной обсерваторией «Спектр-РГ», которая в настоящее время разрабатывается Россией совместно с Германией и запланирована к запуску в 2012 г.

Верхнее фото: Изображение области галактической плоскости вблизи центра Галактики, полученное при помощи Российско-Турецкого телескопа РТТ-150 (Буренин и др. 2009). Хорошо видны области, в которых излучение далеких звезд поглощено межзвездной пылью (темные области вокруг центра изображения). Т.о., видно, что наблюдения телескопа Chandra направлены в «окно», более-менее свободное от межзвездной пыли, что позволило значительно улучшить чувствительность проведенных наблюдений.

Нижнее фото: Изображение «хребта» Галактики - протяженного рентгеновского свечения, расположенного вдоль галактического диска. На врезке показано изображение маленькой области вблизи галактического центра, наблюдавшегося обсерваторией Chandra в течение миллиона секунд.