Центральным источником энергии загадочных пульсирующих сверхсветовых источников рентгеновского излучения (ULX) может быть нейтронная звезда, согласно численному моделированию, выполненному исследовательской группой под руководством Томохиса Кавасима из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).Считалось, что ULX, которые являются чрезвычайно яркими источниками рентгеновского излучения, питаются черными дырами.
Но в 2014 году рентгеновский космический телескоп «NuSTAR» обнаружил неожиданные периодические импульсные излучения в ULX под названием M82 X-2. Открытие объекта под названием «ULX-пульсар» озадачило астрофизиков. Черные дыры могут быть достаточно массивными, чтобы обеспечивать энергию, необходимую для создания ULX, но черные дыры не должны производить импульсные излучения. Напротив, «пульсары», своего рода нейтронные звезды, названы в честь генерируемых ими импульсных излучений, но они намного слабее, чем ULX.
Для объяснения «ULX-пульсара» нужна новая теория.Считается, что ULX вызваны объектом с сильным гравитационным аккреционным газом от звезды-компаньона.
Когда газ падает на объект, он сталкивается с другим газом. Эти столкновения нагревают газ до тех пор, пока он не станет достаточно горячим, чтобы начать светиться. Фотоны (в данном случае рентгеновские лучи), испускаемые этим светящимся газом, и есть то, что на самом деле наблюдают астрономы. Но по мере того, как фотоны удаляются от центра, они толкают входящий газ, замедляя поток газа к центру.
Эта сила называется силой радиационного давления. Чем больше газа падает на объект, тем он горячее и ярче, но если он становится слишком ярким, давление излучения настолько замедляет падающий газ, что это создает «пробку». Эта пробка ограничивает скорость, с которой новый газ может добавить дополнительную энергию в систему, и не дает ей стать ярче.
Этот верхний предел светимости, при котором давление излучения уравновешивает гравитационную силу, называется светимостью Эддингтона.Светимость по Эддингтону определяется массой объекта. Поскольку масса пульсаров в сотни тысяч раз меньше массы черных дыр, которые, как считается, являются источником сверхвысоких рентгеновских лучей, их светимости по Эддингтону намного ниже, чем то, что необходимо для учета ярких сверхвысоких рентгеновских лучей.
Но Кавасима и его команда начали задаваться вопросом, есть ли способ у пульсаров избежать пробок, вызванных светом Эддингтона. «Астрофизики были настолько озадачены, — объясняет он, — может быть трудно поддерживать сверхкритическую аккрецию на нейтронные звезды, потому что нейтронные звезды имеют твердую поверхность, в отличие от черных дыр. аккреция на нейтронные звезды с импульсным излучением ".Для нормальных пульсаров исследователи используют модель «аккреционных колонн», в которой падающий газ направляется сильным магнитным полем пульсара, так что он приземляется на магнитные полюса.
Если магнитный полюс не совмещен с осью вращения нейтронной звезды (так же, как «магнитный север» отличается от «истинного севера» на Земле), то положение магнитного полюса будет вращаться вокруг оси вращения по мере вращения нейтронной звезды. Если магнитный полюс направлен на Землю, он кажется нам ярким, но когда он вращается в сторону, выбросы, кажется, исчезают. Это похоже на то, как маяк мигает, когда направление его луча вращается.Чтобы раскрыть тайну ULX-пульсара, Кавасима и его команда провели моделирование, чтобы увидеть, есть ли способ, которым аккреционные столбы газа могут плавно течь без пробок и стать в сотни раз ярче, чем светимость Эддингтона. «Никто не знал, может ли происходить сверхкритическая аккреция колонн на нейтронной звезде, — объясняет Шин Минешиге из Киотского университета. — Это была сложная проблема, потому что нам нужно было одновременно решать уравнения гидродинамики и переноса излучения, что требовало продвинутых технологий. численные методы и вычислительная мощность ". В 1970-х годах несколько астрофизиков кратко рассмотрели расчет умеренно (не чрезвычайно) сверхкритических колонн аккреции, однако им пришлось сделать много предположений, чтобы сделать эти расчеты работоспособными. «Но благодаря недавним разработкам в методах и компьютерных ресурсах, — говорит Кен Осуга из NAOJ, — мы сейчас находимся на заре эры радиационно-гидродинамического моделирования».
Коды уже используются для исследований, направленных на моделирование черных дыр. Таким образом, вдохновленная открытием ULX-пульсара, эта группа применила свой радиационно-гидродинамический код для моделирования сверхкритических аккреционных столбов на нейтронные звезды и выполнила моделирование на суперкомпьютере NAOJ "ATERUI".Команда обнаружила, что падающий газ действительно может избежать пробки, вызванной светом Эддингтона, в сверхкритическом образовании колонн.
В их моделировании аккрецирующий газ образует ударный фронт около нейтронной звезды. Здесь огромное количество кинетической энергии падающего газа преобразуется в тепловую энергию.
Эта энергия быстро нагревает газ непосредственно под поверхностью скачка и испускает огромное количество фотонов. Но вместо того, чтобы отталкиваться от падающего газа, как предполагали предыдущие модели, фотоны направляются по сторонам колонны. Это означает, что без пробок может быстро попасть больше газа, нагреться фронтом ударной волны и произвести больше фотонов, так что процесс не будет вынужден замедляться.
Модель группы NAOJ может объяснить наблюдаемые характеристики ULX-пульсара: высокую светимость и направленные пучки фотонов, которые будут мигать при вращении нейтронной звезды. Удивительно, но направление фотонных лучей находится под прямым углом к полярным лучам, ожидаемым в стандартной модели пульсара. Это первое моделирование, подтверждающее идею о том, что центральным двигателем ULX-пульсара является нейтронная звезда.Эта команда планирует и дальше развивать свою работу, используя эту новую модель маяка для изучения подробных наблюдательных особенностей ULX-пульсара M82 X-2, а также для изучения других кандидатов в ULX-пульсары.
Это исследование было частично поддержано Японским обществом содействия науке через гранты на научные исследования (№ 26400229, 15K05036) и MEXT SPIRE и JICFuS в качестве приоритетного вопроса (Выяснение фундаментальных законов и эволюция Вселенная), с которым нужно справиться с помощью компьютера Post K.Их статья под названием «Радиационно-гидродинамическая модель аккреционных колонн для сверхсветового рентгеновского пульсара» появится в публикациях Астрономического общества Японии 8 сентября 2016 года.