УДК 524.3
ЗАВАЛ В СПЕКТРЕ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАЯРКИХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИСТОЧНИКОВ Но1Х Х-1 И М82 Х-1
© 2014 г. С.Ю.Сазонов1*, А. А. Лутовинов1, Р. А. Кривонос1'2
1Институт космических исследований РАН, Москва 2Лаборатория космических наук, Калифорнийский университет, Беркли, США
Поступила в редакцию 23.08.2013 г.
По данным обсерваторий XMM-Newton и ИНТЕГРАЛ в рентгеновских спектрах ультраярких рентгеновских источников Но1Х X-! и M82 X-! зарегистрирован завал на энергиях выше 10 кэВ. Полученные спектры можно описать моделью комптонизации излучения в облаке газа с умеренной температурой (кТ ~ 2—3 кэВ) и большой оптической толщей (т ~ 15—25). Такие условия могут реализовываться при сверхкритической аккреции вещества на черную дыру звездной массы, сопровождаемой сильным оттоком газа. Полученные результаты подтверждают существование особого спектрального состояния, присущего ультраярким рентгеновским источникам и не похожего ни на одно из известных спектральных состояний обычных рентгеновских двойных систем.
Ключевые слова: черные дыры, аккреция, комптонизация, ультраяркие рентгеновские источники.
DOI: 10.7868/S0320010814030061
1. ВВЕДЕНИЕ
Ультраяркими рентгеновскими источниками (УРИ, ultraluminous X-ray sources, ULX) называются точечные рентгеновские источники, наблюдаемые во внеядерных областях близких галактик и обладающие светимостью выше х х 1039 эрг/c. Природа этих объектов остается неизвестной. Активно обсуждаются два сценария: субкритическая (с темпом ниже эддингтоновского предела) аккреция на черную дыру промежуточной, (102-104) Mq, массы (ЧДПМ, например, Миллер и др., 2003) и сверхкритическая аккреция на черную дыру звездной, не более нескольких десятков Mq, массы (ЧДЗМ, например, Поутанен и др., 2007), возможно, со значительной коллимацией излучения в сторону наблюдателя (например, Кинг, 2009). Оба сценария представляют большой интерес, так как в первом случае появляется возможность исследовать условия, возможно соответствующие промежуточной стадии роста сверхмассивных черных дыр, а во втором — экстремальный режим аккреции газа на черные дыры. Не исключено, что в каких-то УРИ реализуется первый сценарий, а в других — второй.
Электронный адрес: sazonov@iki.rssi.ru
До сих пор рентгеновские наблюдения УРИ проводились практически исключительно на энергиях ниже 10 кэВ, и многие спектры, измеренные в диапазоне 2—10 кэВ, удавалось описать простым степенным законом с наклоном Г ~ 2 (см., например, Каява, Поутанен, 2009). На энергиях ниже 2 кэВ иногда регистрировалась дополнительная мягкая компонента с цветовой температурой в несколько сотен эВ. Высказывалось предположение, что эта компонента связана с тепловым излучением геометрически тонкого оптически толстого аккреционного диска вокруг ЧДПМ, аналогичным более "горячему" (~1 кэВ) излучению, регистрируемому от обычных рентгеновских двойных систем в их мягком/высоком состоянии. В таком случае более низкая температура диска могла бы означать (Шакура, Сюняев, 1973) более высокую массу компактного объекта в УРИ по сравнению с рентгеновскими двойными, а степенную компоненту в спектрах УРИ можно было бы интерпретировать как комптонизированное излучение из оптически тонкой горячей короны аккреционного диска.
Однако эта картина сталкивается с определенными трудностями. В частности, ряд полученных в результате длительных наблюдений телескопами Чандра и ХММ им. Ньютона спектров УРИ плохо описываются степенным законом и имеют "выпуклую" форму в диапазоне энергий 2—10 кэВ.
Если описывать такие спектры моделью черно-тельного излучения тонкого аккреционного диска, то температура у его внутренней границы оказывается равной 2—3 кэВ. Такие значения можно было бы ожидать при больших темпах аккреции, для ЧДЗМ, но никак не для ЧДПМ. При этом, однако, измеренные светимости УРИ составляют 1039 —1040 эрг/с, что превышает эддингтоновский предел для компактного объекта звездной массы. Поэтому активно обсуждается альтернативный сценарий, когда в УРИ реализуется сверхкритическая аккреция вещества на ЧДЗМ через геометрически толстый диск с мощным оттоком газа (см., например, Поутанен и др., 2007). При этом необычная форма рентгеновских спектров на энергиях выше 2 кэВ интерпретируется как результат комптонизации сравнительно мягкого излучения аккреционного диска в оптически толстой короне и/или оттекающем ветре (Стоббарт и др., 2006; Гладстоун и др., 2009; Фенг, Сория, 2011).
Измерения в жестком рентгеновском диапазоне могли бы помочь продвинуться в понимании природы УРИ. Однако такие наблюдения были невозможны до недавних пор, потому что даже самые яркие УРИ характеризуются рентгеновскими потоками менее 1 мКраб в диапазоне энергий 2—10 кэВ и при этом зачастую расположены в областях неба с большой концентрацией рентгеновских источников. Возможности обсерватории ИНТЕГРАЛ (Винклер и др., 2003), а именно сочетание сравнительно высокой чувствительности с хорошим угловым разрешением, впервые позволили обойти эти трудности. Однако даже в этом случае потребовались очень большие экспозиции. Начиная с конца 2009 г., по заявке нашей группы в рамках российской квоты наблюдательного времени на обсерватории ИНТЕГРАЛ проводятся глубокие наблюдения на энергиях выше ^20 кэВ области неба, в которой расположена группа галактик M81. Мишенями этих наблюдений являются ядро галактики М81 и два хорошо известных УРИ: Но1Х X-! (известный также как M81 X-9) и M82 Х-1. Интересно, что хотя эти УРИ относятся к ярчайшим на всем небе, как в смысле потока излучения, так и светимости, они расположены менее чем в одном градусе друг от друга. К настоящему времени уже накоплены данные около 6 Мс наблюдений этого поля. В рамках этой же научной программы в 2011 г. была проведена серия наблюдений источников Но1ХХ-1 и М82Х-1 на рентгеновской обсерватории ХММ-Ые^оп. Основной целью скоординированных наблюдений обсерваторий ИНТЕГРАЛ и ХММ-Ые^оп является построение рентгеновских спектров вышеуказанных УРИ в широком диапазоне от ^200 эВ до несколь-
ких десятков кэВ. В настоящей работе приводятся результаты этих наблюдений.
Необходимо отметить, что в дальнейшем мы будем принимать расстояние до Но1Х Х-1 равным 3.6 Мпк — расстояние до галактики М81 (Фридман и др., 1994), спутником которой является карликовая галактика Но1Х, а до М82 Х-1 — 3.5 Мпк (расстояние до галактики М82, Якобс и др., 2009).
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Наблюдения поля М81 начались в седьмом наблюдательном цикле (АО-7) обсерватории ИНТЕГРАЛ и были продолжены в восьмом и девятом циклах (АО-8 и АО-9). В конце 2013 г. планируется проведение очередной серии наблюдений этой области неба уже в рамках нового 10-го цикла наблюдений обсератории ИНТЕГРАЛ (А0-10). В табл. 1 приводится информация о датах и продолжительности сеансов наблюдений, проведенных к настоящему времени. Общая накопленная экспозиция составляет Мсек (номинальное время без учета падения эффективности при наблюдении источников под углом) для прибора IBIS/ISGRI. Это время включает ^750 кс архивных данных в 2003— 2004 гг., когда источники Но1Х Х-1 и М82Х-1 эпизодически попадали во внешние области поля зрения (7—9 град от оси) детектора ISGRI. Эти архивные данные были учтены в нашем анализе, хотя они практически не увеличивают значимость регистрации исследуемых объектов.
В 2011 г. на обсерватории ХММ-Ые-^оп были проведены две серии наблюдений источников Но1Х Х-1 и М82 Х-1, состоящие из четырех и пяти наведений соответственно, продолжительностью около 25 кс каждое. В табл. 1 собрана основная информация об этих наблюдениях. Данные наблюдения были проведены в интервалы времени, примерно совпадающие с наблюдениями (гораздо более продолжительными), проводившимися обсерваторией ИНТЕГРАЛ в цикле АО-8, поэтому можно говорить о квазиодновременности наблюдений в рентгеновских и жестких рентгеновских лучах в 2011 г.
В настоящей работе из всех данных, полученных обсерваторией ИНТЕГРАЛ, использовались только данные детектора IBIS/ISGRI (Убертини и др., 2003). Мы проанализировали также данные прибора ЛЕМ-Х, однако это не позволило получить дополнительных сильных ограничений на поток излучения от Но1Х Х-1 и М82 Х-1 на энергиях выше 10 кэВ. Поэтому мы построили наш анализ на основе сравнения данных ХММ и ISGRI.
Таблица 1. Наблюдения источников Но1Х Х-1 и М82 Х-1 обсерваториями ИНТЕГРАЛ и XMM-Newton
№ программы № орбиты или сеанса Даты наблюдений Экспозиция, кс
ИНТЕГРАЛ
Архив 131-133, 179, 180,250 10-17.11.2003,2-6.4, 750
30-31.10.2004
0720010 856-862, 868-872, 932, 933, 977 17.10.-6.12.2009, 1-5.6, 1930
15-16.10.2010
0820030 1029, 1031, 1033, 1036, 1037, 1042, 18.3.-24.5., 23.9.-2.12.2011 1540
1046, 1048, 1049, 1051, 1092, 1093,
1111,1112, 1114, 1115
0920014 1225, 1226, 1228-1231, 1233, 1234, 26.10.2012-20.1.2013 1690
1237-1241,1244, 1254
XMM-Newton
065780 (Но1Х Х-1) 2001 24.03.2011 28
1601 17.04.2011 21
1801 26.09.2011 25
2201 23.11.2011 24
065780 (М82 Х-1) 0101 18.03.2011 27
1701 9.04.2011 24
1901 29.04.2011 28
2101 24.09.2011 23
2301 21.11.2011 24
3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ, РЕНТГЕНОВСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
3.1. Интеграл
Первичная обработка данных детектора ISGRI заключалась в восстановлении изображений неба в поле М81 в нескольких диапазонах энергий (20— 30, 30—45, 45—68, ... кэВ) с помощью стандартного алгоритма (Кривонос и др., 2010), применявшегося
V
М82 Х-1 +
Но1Х Х-1 М81 + +
■ ■!
0.12 0.99 1.9 2.7 3.6 4.5 5.3 6.2 7.1
Рис. 1. Изображение группы галактик М81 в диапазоне энергий 20—30 кэВ, полученное по данным прибора IBIS/ISGRI обсерватории ИНТЕГРАЛ за все время наблюдений. Изображение построено для отношения сигнал/шум, контурами показаны уровни значимости 1,2,3,4а. Отмечены положения НоК Х-1, М82 Х-1 и ядра галактики М81. Расстояние между Но!Х Х-1 и М81 составляет 13'.
нами в ряде предыдущих работ. Калибровка измеренных рентгеновских потоков источников проводилась с помощью архивных данных наблюдений Крабовидной туманности детектором ISGRI.
На рис. 1 показано изображение поля М81 в диапазоне энергий 20—30 кэВ, построенное по всем данным, полученным де
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.