5 октября 2021

Составлен первый каталог событий приливных разрушений звезд сверхмассивными черными дырами

По данным рентгеновского обзора неба телескопа eROSITA российской астрофизической обсерватории «Спектр-РГ» составлен первый каталог событий приливного разрушения звезд вблизи сверхмассивных черных дыр в ядрах далеких галактик.

В 70-80-х годах прошлого века исследователи-астрофизики, изучая галактики и сверхмассивные черные дыры в их ядрах, предположили, что около последних могут происходить очень бурные события. Если вблизи такой сверхмассивной черной дыры будет пролетать обычная звезда, то её может разорвать приливными силами, а последующая аккреция вещества разрушенной звезды на черную дыру приведёт к мощной вспышке рентгеновского излучения.

Этот сценарий казался весьма правдоподобным, однако в то время такие «события приливного разрушения» (tidal disruption events или TDE) наблюдать было нельзя — не хватало чувствительности телескопов.

Впервые несколько событий такого типа были обнаружены в начале 1990-х годов с помощью рентгеновского телескопа на борту германской орбитальной обсерватории ROSAT. Затем события приливного разрушения стали находить также с помощью оптических и ультрафиолетовых телескопов. Но эти открытия по-прежнему оставались очень редкими. Малое число зарегистрированных событий приливного разрушения не позволяло достаточно хорошо изучить их статистические и физические свойства.

Российская астрофизическая обсерватория «Спектр-РГ», начавшая работу в космосе в 2019 году, ведёт обзор всего неба с помощью двух рентгеновских телескопов: германского eROSITA и российского ART-XC имени М.Н. Павлинского. Высокая чувствительность детекторов и широкое поле зрения телескопа eROSITA впервые в истории рентгеновской астрономии позволили начать массированный поиск событий приливного разрушения во Вселенной.

Первые результаты этого поиска опубликованы в работе, принятой в печать в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и опубликованной на сайте препринтов arXiv.org. В ней участвовали 25 исследователей из Института космических исследований и Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук, Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Казанского федерального университета, Калифорнийского технологического института (США) и Лейденского университета (Нидерланды).

«На первом этапе исследования мы составили каталог рентгеновских источников, которые были обнаружены с помощью телескопа eROSITA в ходе второго полугодового (10 июня — 14 декабря 2020 г.) обзора неба, но не были зарегистрированы в ходе первого обзора. Мы также поставили условие, что яркость источника во втором скане должна как минимум в десять раз превышать его яркость в первом скане. Таким образом была составлена выборка из порядка ста ярких переменных источников (транзиентов) рентгеновского излучения, расположенных на половине неба, за обработку данных на которой отвечают российские участники научного сообщества СРГ/eROSITA», — рассказывает к.ф.-м.н. Павел Медведев, научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.

Сравнение с астрометрическим каталогом спутника Gaia (ESA) показало, что многие из этих объектов — звезды нашей Галактики. Для исследования остальных, предположительно внегалактических, транзиентов были организованы наблюдения практически на всех больших оптических телескопах нашей страны: 6-метровом телескопе БТА САО РАН, 2.5-метровом телескопе Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ, 1.6-метровом телескопе АЗТ-33ИК ИСЗФ СО РАН, 1.5-метровом Российско-турецком телескопе, а также на одном из крупнейших телескопов в мире — 10-метровом телескопе Кека на Гавайях (США).

По полученным оптическим спектрам удалось классифицировать эти объекты, измерить расстояния до них и выделить среди них шестнадцать событий приливного разрушения, тринадцать из которых обсуждаются в статье.

«О том, что мы имеем дело с разрушением звезды около массивной черной дыры, свидетельствуют мягкость полученных рентгеновских спектров, присутствие протяженного объекта — галактики — в области локализации рентгеновского источника и отсутствие мощных эмиссионных линий в оптическом спектре галактики. По своим свойствам эти объекты явно отличаются от активных ядер галактик, в которых происходит продолжительная (тысячи и миллионы лет) аккреция межзвездного газа на сверхмассивную черную дыру», — объясняет к.ф.-м.н. Георгий Хорунжев, научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.

Приливные разрушения звезд легче всего находить в «пассивных» ядрах галактик, в которых черная дыра обычно «спит» и может вспыхнуть только на короткое время после разрыва звезды. Такая «дремлющая» черная дыра есть и в центре нашей Галактики Млечный Путь, но в нашей Галактике мы никогда не видели TDE и вряд ли увидим в ближайшие тысячи лет.

Ближайшее из событий приливного разрушения, открытых обсерваторией «Спектр-РГ», произошло в галактике на расстоянии около 500 миллионов световых лет от нас, а самое далекое — в галактике на космологическом красном смещении 0.581, т.е. случилось около 6 миллиардов лет назад. А их рентгеновские светимости достигали в некоторых случаях 1038 ватт.

«Чтобы обеспечить такое колоссальное энерговыделение, черная дыра должна поглощать вещество в темпе порядка ста масс Земли в день, — рассказывает профессор РАН Сергей Сазонов, руководитель лаборатории экспериментальной астрофизики ИКИ РАН и первый автор статьи. — Рентгеновская вспышка длится как минимум несколько месяцев, о чем говорит повторное детектирование ряда транзиентов спустя полгода (в третьем скане неба телескопа eROSITA) после их открытия. За это время черная дыра с собственной массой порядка десяти тысяч — ста миллионов масс Солнца успевает поглотить примерно половину вещества разрушенной звезды».

Используя полученную уникальную выборку, ученые впервые построили функцию рентгеновской светимости событий приливного разрушения. Оказалось, что частота появления таких событий во Вселенной уменьшается с увеличением светимости (чем больше рентгеновских фотонов во вспышке, тем реже), а в среднем разрушения звезд происходят примерно раз в сто тысяч лет в расчете на одну галактику. Поэтому мы не регистрируем такие события в ядре нашей Галактике или в ближайших галактиках, а для их поиска приходится осматривать большой объем Вселенной, содержащий миллионы галактик.

Большинство событий приливного разрушения, которые открывает телескоп eROSITA, проявляют себя только в рентгеновских лучах. Этим они отличаются от событий, которые обнаруживаются в оптических обзорах, в частности с помощью Установки по поиску транзиентов им. Цвики (Zwicky Transient Facility, США). Но некоторые события, которые СРГ/eROSITA находит в рентгеновских лучах, все же проявляют себя также и как оптические транзиенты.

Об одном из таких — SRGe J131014.2+444315 — сообщалось недавно в астрономической телеграмме ATel № 14800 (об этом рассказывалось в пресс-релизе СРГ/eROSITA увидел начало приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой). Ученые продолжают спорить, почему события приливного разрушения звезд могут проявлять себя по-разному.

«Пока нет полной картины того, как именно происходит разрушение звезды приливными силами и как формируется излучение на разных длинах волн. Некоторые теоретические модели предсказывают, что при разрушении звезды вокруг черной дыры возникает толстый аккреционный диск, при этом рентгеновское излучение рождается во внутренней области этого диска. Если такой объект наблюдается вдоль оси аккреционного диска, мы увидим рентгеновские лучи из окрестности черной дыры, а при наблюдении „сбоку“, вдоль плоскости диска рентгеновское излучение затеняется толщей диска и мы наблюдаем только оптическое излучение», — поясняет член-корреспондент РАН Марат Гильфанов, ведущий сотрудник отдела астрофизики ИКИ РАН.

«Обсерватория „Спектр-РГ“ продолжает поиск событий приливного разрушения звезд черными дырами. К настоящему моменту оптические наблюдения с Земли подтвердили уже более сорока таких событий, открытых российскими учеными с помощью eROSITA. Это больше, чем число событий такого типа известных до запуска обсерватории. Всего же за четыре года обзора на всем небе есть шанс обнаружить порядка семисот таких событий. В каждой галактике такие события чрезвычайно редки, но, как мы видим, eROSITA способна фиксировать редчайшие случаи TDE от миллиардов галактик, где таятся сверхмассивные черные дыры, не проявляющие себя как яркие рентгеновские источники до тех пор, пока какая-либо звезда не пролетит слишком близко от нее», — заключает академик Рашид Сюняев, научный руководитель орбитальной обсерватории «Спектр-РГ».