Российские астрофизики из Института космических исследований и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук исследовали компактный звездный кластер Вестерлунд 2. Благодаря новым данным, полученным российским рентгеновским телескопом ART-XC имени М.Н. Павлинского на борту космической обсерватории «Спектр-РГ», стало понятно, что источником высокоэнергичного рентгеновского излучения в нем, скорее всего, служат электроны звездного ветра, разогнанные до очень высоких энергий.
Объект под названием Вестерлунд 2 (Westerlund 2) — это скопление молодых и горячих звезд с мощными звездными ветрами или, другими словами, «компактный звездный кластер».
Молодые и массивные звезды — источники мощных звездных ветров, потока вещества, истекающего с их поверхности со скоростями в тысячи километров в секунду. Мощности ветров молодых массивных звезд в сотни миллионов раз выше мощности солнечного ветра. Поскольку «соседство» ветров в кластере очень тесное, то они начинают сталкиваться, и в результате этих взаимодействий ускоряются заряженные частицы и рождаются фотоны очень высоких энергий. Физика этих систем весьма сложная, и наблюдения за такими кластерами вместе с моделированием дают шанс многое прояснить.
Кстати говоря, подобных компактных массивных кластеров в нашей Галактике известно не так много — около 15. Существуют галактики, где их гораздо больше (связано это, скорее всего, с тем, что такие галактики переживают столкновения с другими).
Для объяснения этого излучения были предложены теоретические модели, которые можно разделить на две группы. Первые предполагают, что ускорение частиц, излучающих гамма-кванты, происходит внутри кластера при взаимодействии потоков звездного ветра от разных звезд. Вторые — что ускорение происходит в области торможения общего ветра скопления, который, вероятно, формируется в ходе взаимодействия ветров отдельных звезд. В этих двух моделях работают несколько разные механизмы, и сделать выбор в пользу той или другой можно только на основании детальных наблюдений, в том числе в рентгеновском диапазоне.
Скопление звезд Вестерлунд 2 довольно долго наблюдали рентгеновской обсерваторией Chandra (NASA). Эти данные имеют очень важное научное значение. Однако Chandra регистрирует рентгеновские фотоны не самых высоких энергий — от примерно 0,2 до 8 килоэлектронвольт (кэВ) — и этого было недостаточно для подтверждения или опровержения имеющихся моделей.
Поэтому к решению этой задачи было решено привлечь российский телескоп ART-XC имени М. Н. Павлинского на борту обсерватории «Спектр-РГ», который способен регистрировать более энергичные фотоны — вплоть до 30 кэВ. Вторая важная особенность ART-XC — широкое поле зрения. Хотя его угловое разрешение не такое высокое, как у обсерватории Chandra, но при комбинации данных этих двух инструментов появляется возможность различить излучение, пришедшее от самих звезд в скоплении, от излучения, рожденного в бурной области столкновения энергичных звездных ветров, которое и интересует исследователей.
Результатом этого анализа стал совместный рентгеновский спектр горячей плазмы кластера Вестерлунд 2, протягивающийся от «мягкого» до «жесткого» рентгена. Такой спектр был получен впервые для этого объекта. Интересно, впрочем, что на энергиях больше 15 кэВ кластер оказался «не виден». Это накладывает серьезные ограничения на модели с доминированием комптоновского рассеяния как механизма рождения высокоэнергичного рентгеновского излучения.
Российские ученые около десяти лет занимаются изучением физических процессов в таких уникальных объектах как Вестерлунд 2, и совсем недавно с помощью компьютеров Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН ими были построены трехмерные магнитогидродинамические модели динамики потоков плазмы и ускорения частиц в скоплении звезд. Теперь появилась возможность сравнить расчеты с реально наблюдаемой картинкой.
В результате оказалось, что объяснить данные рентгеновских наблюдений можно, если наряду с излучением плазмы, нагретой до десятков миллионов градусов при столкновении ветров, в скоплении имеются и более энергичные рентгеновские фотоны от синхротронного излучения электронов и позитронов, ускоренных в том же столкновении ветров до очень высоких энергий — вплоть до сотен тераэлектронвольт.
Результаты исследования позволяют углубиться в природу космических ускорителей частиц и демонстрируют эффективность использования рентгеновских телескопов с высоким угловым разрешением и широким диапазоном энергий — таких, как ART-XC.
Загадка происхождения галактических космических лучей существует с момента их открытия более ста лет назад. Для ее решения необходимы дальнейшие наблюдения с помощью рентгеновских и гамма-обсерваторий нового поколения, и работы по моделированию, которые позволят объяснять новые данные.