Астрономи зафіксували нейтронну зірку, яка запускає надзвичайно щільний вітер. Він зовсім не був схожий на надшвидкі пориви, що спостерігаються навколо надмасивних чорних дір. Ця невідповідність говорить про те, що наші стандартні уявлення про те, як починаються ці потоки – і як вони формують своє оточення – можуть потребувати переосмислення.
Спостереження було отримано за допомогою XRISM, рентгенівської місії, що працює разом з європейськими та японськими партнерами та використовує надточний спектрометр Resolve.
25 лютого 2024 року команда вчених направила Resolve на GX13+1, нейтронну зірку, яскраву в рентгенівському діапазоні, оскільки гарячий диск газу спірально спускається на її поверхню. Resolve розділяє вхідні рентгенівські фотони з винятковою точністю. Перші спектри GX13+1 вразили команду.
«Коли ми вперше побачили багатство деталей у даних, ми відчули, що спостерігаємо результат, який змінює правила гри», — сказав Маттео Гуайнацці, науковець проекту XRISM Європейського космічного агентства. «Для багатьох із нас це було здійсненням мрії, за якою ми гналися десятиліттями».
Зірка переступає межу
За кілька днів до запланованого спостереження, GX13+1 різко стала яскравішою. Вона досягла, а можливо, й перевищила, межу Еддінгтона – точку, де радіація настільки сильно відштовхується назад, що падаюча матерія витісняється назовні, як вітер. Resolve спостерігав, як система переходить у цей стан у режимі реального часу.
«Ми не змогли б цього запланувати, якби спробували», — сказав астрофізик Кріс Доун з Університету Дарема, провідний дослідник дослідження. «Система знизилася приблизно з половини свого максимального рівня випромінювання до чогось набагато інтенсивнішого, створивши вітер, який був сильнішим, ніж ми будь-коли бачили раніше».
Вітри повзуть замість того, щоб мчати
Поблизу межі Еддінгтона космічні двигуни, такі як надмасивні чорні діри та нейтронні зірки, можуть запускати вітри зі швидкістю від 20 до 30 відсотків від швидкості світла, що значно перевищує 124 мільйони миль на годину (200 мільйонів кілометрів на годину).
GX13+1 зробив дещо інше. Його вітер рухався зі швидкістю приблизно 621 000 миль на годину (1 мільйон кілометрів на годину). Це швидко для Землі. Але для двигуна, близького до Еддінгтона, це повільно.
«Мене досі дивує, наскільки «повільний» цей вітер, а також наскільки він густий. Це як дивитися на сонце крізь густий туман. Все стає тьмянішим, коли туман густий», – сказав Доун.
XRISM також спостерігав відтік на рівні Еддінгтона з надмасивної чорної діри. Той був надшвидким і грудкуватого типу. GX13+1 — повільний і плавний.
«Вітри були зовсім іншими, але вони походять із систем, які приблизно однакові з точки зору межі Еддінгтона. Тож якщо ці вітри справді живляться лише радіаційним тиском, чому вони відрізняються?» — розмірковував Доун. Контраст натякає на те, що тут діє не лише чистий поштовх від світла.
Ультрафіолетове випромінювання призводить до пришвидшення вітру
Одна з провідних ідей вказує на температуру диска. Диски навколо надмасивних чорних дір величезні. Їхня потужність поширюється на більшу площу, тому їх типове випромінювання досягає піку в ультрафіолетовому діапазоні. Диски навколо нейтронних зірок та чорних дір зоряної маси нагріваються сильніше та випромінюють рентгенівські промені.
Ультрафіолетове випромінювання взаємодіє з атомами та іонами набагато легше, ніж рентгенівські промені. Якщо це так, то диск, багатий на ультрафіолетове випромінювання, може ефективніше штовхати газ, запускаючи швидші вітри.
Гарячіший, яскравий у рентгенівському випромінюванні диск може роздувати щільніший відтік, який рухається повільніше. Ця проста різниця в енергії фотонів може пояснити, чому дві системи «Еддінгтона» поводяться так по-різному.
Відтоки формують зірки та галактики
Ці потоки є двигунами змін. Навколо надмасивних чорних дір вони можуть стискати холодні хмари, щоб спровокувати зореутворення, або нагрівати та розсіювати газ, щоб загасити його. Астрономи називають це «зворотним зв’язком».
У крайніх випадках центральний вітер може впливати на зростання цілої галактики. Нейтронні зоряні системи працюють у менших масштабах, але вони все одно перемішують свої околиці теплом та імпульсом. Спостереження за щільним, повільним вітром поблизу межі Еддінгтона змушує теоретиків переглянути, як енергія взаємодіє з речовиною – від двигунів розміром із зірку до двигунів розміром із галактику.
Детальне картографування зоряних вітрів
Гострий зір Resolve робить це можливим. Він виявляє крихітні зрушення та форми в атомних відбитках, які розкривають швидкість, товщину та структуру вітру. Ці діагностичні дані перетворюють спектр на прогноз погоди: як швидко тече газ, скільки його там, і чи він гладкий, чи грудкуватий.
З більшою кількістю цілей мають проявитися закономірності, і пояснення, зумовлене температурою, можна буде перевірити на основі альтернатив.
Майбутні місії переслідують повільні вітри
Команда вже розмірковує над тим, що це відкриття означає для наступної хвилі інструментів.
«Безпрецедентна роздільна здатність XRISM дозволяє нам досліджувати ці об’єкти – та багато інших – набагато детальніше, прокладаючи шлях для рентгенівського телескопа високої роздільної здатності наступного покоління, такого як NewAthena», – сказала Каміль Дієз, науковий співробітник Європейського космічного агентства (ESA).
Подальші спостереження за GX13+1 та іншими яскравими акреторами покажуть, чи є щільні, повільні вітри звичайним явищем при високій яскравості, чи це був рідкісний поворот подій.
Нейтронна зірка перетнула критичну яскравість і почала дути вітром, густим, як туман, але набагато повільнішим, ніж очікувалося. Цей єдиний поворот ставить під сумнів ідею про те, що всі вітри Еддінгтона виглядають однаково.
Завдяки Resolve, XRISM тепер може детально відобразити ці відмінності. Результатом є нова структура для розуміння того, як диски запускають вітри, як світло тисне на матерію та як маленькі двигуни та гігантські допомагають формувати космос. Дослідження опубліковане в журналі Nature.
