#
Астрофизика
Оптические исследования рентгеновских двойных систем и ядер галактик
А. М. ЧЕРЕПАЩУК,
академик,
директор ГАИШ МГУ
7 июля 2010 г. исполняется 70 лет академику Анатолию Михайловичу Черепащуку, члену редколлегии нашего журнала. Вся жизнь Анатолия Михайловича посвящена служению любимой науке - астрономии, которой он увлекся, когда ему было 10 лет. В школьные годы он строил самодельные телескопы, проводил самостоятельные наблюдения Луны, Солнца, планет и переменных звезд, был активным членом Куйбышевского отделения ВАГО при АН СССР. Его зарисовки поверхности Марса во время великого противостояния 1956 г. были выполнены в Сызрани по наблюдениям на изготовленном им 200-мм рефлекторе. Эти рисунки Марса опубликованы в "Атласе рисунков Марса" (составитель В.А. Бронштэн. М.: Наука, 1961) под редакцией академика АН УССР Н.П. Барабашова.
А.М. Черепащук окончил сызранскую среднюю школу с серебряной медалью, в 1964 г. - Астрономическое отделение Физического факультета МГУ. В 1967 г. он защитил кандидатскую диссертацию, в 1975 г. - докторскую, в 1985 г. стал профессором по специальности "астрофизика", в 1997 г. избран членом-корреспондентом РАН, в 2006 г. - академиком. С 1986 г. Анатолий Михайлович возглавляет ГАИШ МГУ и заведует Астрономическим отделением Физического факультета МГУ.
Под руководством своего учителя - профессора Д.Я. Мартынова - А.М. Черепа-щук провел исследования по физике тесных двойных звездных систем. Он подготовил свыше 20 кандидатов наук и пять докторов наук. Под его руководством ГАИШ МГУ успешно прошел трудные годы перестройки и многочисленных реформ, неоднократно подтверждая свой высокий статус ведущего научно-образовательного астрономического центра страны.
Редколлегия и редакция журнала "Земля и Вселенная" сердечно поздравляют Анатолия Михайловича с юбилеем, желают ему крепкого здоровья, счастья в личной жизни и новых творческих достижений на благо астрономии.
© Черепащук А.М. 3
#
При изучении рентгеновских двойных систем и ядер галактик очень важны наблюдения в оптическом и ближнем ИК-диапазо-не спектра. Такие наблюдения позволяют исследовать движения "пробных тел" (звезд, газовых облаков, газовых дисков) и тем самым измерять массы релятивистских объектов - нейтронных звезд (Н.З.) и черных дыр (Ч.Д.). Если масса ядра звезды, претерпевшего химическую эволюцию в результате термоядерных реакций, превышает 3 М9, то, согласно общей теории относительности (ОТО) А. Эйнштейна, в конце эволюции звезды образуется Ч.Д. Если же масса ядра звезды менее 3 М9, то в конце ее эволюции образуется белый карлик или Н.З. Возможность измерять массы релятивистских
объектов делает рентгеновские двойные системы мощным инструментом для поиска Ч.Д. звездных масс. Поиски же сверхмассивных Ч.Д. ведутся (и очень успешно) в ядрах галактик. К настоящему времени открыты тысячи массивных и чрезвычайно компактных объектов, наблюдаемые свойства которых очень похожи на особенности Ч.Д.
В этой статье мы расскажем о результатах поисков Ч.Д. во Вселенной методами оптической астрономии. Отметим, что при определении масс Ч.Д. оптическими методами вполне достаточно использовать закон тяготения Ньютона, поскольку расстояния "пробных тел" от центральной Ч.Д. много больше размера ее гравитационного радиуса, который для звездных Ч.Д. составляет десят-
ки километров, а для сверхмассивных Ч.Д. лежит в пределах от десятков солнечных радиусов до размеров порядка радиуса Солнечной системы. Замечательно то, что массы Ч.Д., измеренные оптическими методами, не зависят от типа релятивистской теории гравитации ввиду того, что все эти теории (в том числе и теории, альтернативные ОТО) на больших расстояниях от тяготеющего центра переходят в ньютоновскую теорию гравитации.
Автору посчастливилось стоять у истоков важного научного направления - поиска Ч.Д. во Вселенной и внести вклад в разработку данной проблемы. За эти исследования он был удостоен Госу дарственной премии РФ за 2008 г. в области науки и технологий.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
В 1964 г. Я.Б. Зельдович и Е.Е. Салпитер (США) впервые предсказали возможность наблюдения Ч.Д., отметив, что при несферической аккреции на Ч.Д. может выделяться огромная энергия. Теория дисковой аккреции вещества на релятивистские объекты была развита в работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева (1973), Дж. При-
нта и М. Риса (Англия, 1972), И.Д. Новикова и К.С. Торна (1973). Из-за огромного гравитационного потенциала вблизи релятивистского объекта и взаимного трения вещества диска температура окрестностей релятивистского объекта достигает десятков миллионов градусов. Возникающее при этом мощное рентгеновское излучение может наблюдаться с космических обсерва-
торий (земная атмосфера непрозрачна для квантов рентгеновского излучения). В 1972 г. началась эра систематических рентгеновских наблюдений неба после запуска первой специализированной американской космической рентгеновской обсерватории "Ухуру" ("иИиги"). С ее помощью тогда было открыто свыше сотни компактных рентгеновских источников, в большинстве случаев
Оптическая кривая блеска рентгеновской двойной системы Геркулес Х-1, обусловленная "эффектом отражения" (А.М. Черепащук, Ю.Н. Ефремов, Н.Е. Куроч-кин, Р.А. Сюняев и Н.И. Ша-кура, 1972).
рентгеновских двойных систем, состоящих из оптической звезды - донора вещества и релятивистского объекта, находящегося в режиме аккреции. Теория дисковой аккреции позволила понять природу большинства открытых рентгеновских источников как аккрецирующих релятивистских объектов в двойных системах. В то же время остро встала проблема оптического отождествления рентгеновских двойных систем и изучения их оптических проявлений.
Первое отождествление рентгеновской двойной Геркулес Х-1 с переменной звездой HZ Her было выполнено Н.Е. Ку-рочкиным в ГАИШ (1972). В работе А.М. Черепа-щука, Ю.Н. Ефремова, Н.Е. Курочкина, Н.И. Ша-
Оптическая кривая блеска рентгеновской двойной системы Лебедь Х-1 - кандидата № 1 в черные дыры, обусловленная эффектом эллипсоидальности оптической звезды (В.М. Лютый, Р.А. Сюняев и А.М. Черепа-щук, 1973).
куры и Р.А. Сюняева (1972) было показано, что главной причиной оптической переменности Геркулеса Х-1 является "эффект отражения", точнее, эффект прогрева поверхности оптической звезды мощным рентгеновским излучением аккрецирующей Н.З. В 1973 г. В.М. Лютый, Р.А. Сюняев и А.М. Че-
репащук открыли оптическую переменность рентгеновской двойной системы Лебедь Х-1, обусловленную эффектом эллипсоидальности оптической звезды. Ими же был предложен метод оценки наклонения орбиты системы (I) по "эллипсоидальной" переменности оптической звезды и на этой основе дана
Фаза
5
одна из первых оценок массы Ч.Д. в системе Лебедь Х-1 - МЧД. > 5,6М0. Эффекты отражения и эллипсоидальности оказались типичными наблюдательными проявлениями рентгеновских двойных систем в оптическом диапазоне спектра. Они широко используются для оптического отождествления рентге-
новских двойных систем и определения масс релятивистских объектов.
В 1981 г. А.М. Черепа-щук обнаружил оптические затмения в уникальном объекте SS 433 с коллимированными пре-цессирующими релятивистскими выбросами -джетами. Стало ясно, что объект SS 433 - это массивная рентгенов-
л
В и I X
^ л
1,2
1,4
11,5
S 12,0
й 12,5
...
1971 г. 1973 г. 1975 г.
. Ss
> ч:-
и : •
41 тыс. 42 тыс. 43 тыс.
Время, юлианские дни
Кинематическая модель объекта ББ 433, предложенная М. Милгромом (Израиль), С. Фабианом и М. Рисом (Англия) в 1979 г. (слева), и оптическая кривая блеска ББ 433, полученная А.М. Черепащуком (1981).
ская двойная система на продвинутой стадии эволюции, содержащая оптически яркий сверхкритический прецесси-рующий аккреционный
Переменность интенсивности эмиссионной линии На (а) и оптического континуума (б) в ядре сейфертовской галактики I типа ЫОС 4151, обнаруженная В.М. Лютым и А.М. Черепащуком (1972). Изменения интенсивности линии На повторяют изменения континуума, но с запаздыванием на время около 30 сут.
6
диск вокруг релятивистского объекта. Объект ЭЭ 433 оказался первым представителем объектов нового класса -микроквазаров, число которых в Галактике к настоящему времени достигло двух десятков. Параллельно с исследованием рентгеновских двойных систем шли интенсивные поиски Ч.Д. в ядрах галактик. И здесь оптические исследования (и исследования в ближнем ИК-диапазоне) также оказались очень эффективными.
Первые оценки масс сверхмассивных Ч.Д. в ядрах активных галактик (квазаров) получены в 1964 г. Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым. Они сравнивали гигантскую наблюдаемую светимость квазара с критической эддингтоновской светимостью, при которой сила давления радиации уравновешивает силу тяготения центрального объекта. Оказалось, что эти массы очень велики, превышают 108 М9. В 1980-1984 гг. Э.А. Ди-бай оценил массы сверхмассивных Ч.Д. в ядрах сейфертовских галактик по профилям и интен-сивностям эмиссионных линий в их спектрах с использованием фотоионизационной модели ядерной области галактики, излучающей в частотах линий водорода, гелия, азота и других элементов. По доплеровской ширине линий оценивалась
характерная скорость (v) движения "пробных тел" (газовых облаков, окружающих Ч.Д.), а по интенсивности линии рассчитывался характерный объем газа, излучающего в линии, и при фиксированной скважности облаков оценивалось их характерное расстояние (r) от Ч.Д. Зная v и r, можно определить массу Ч. Д.: МЧ.Д. = hv2 r/G, где G -постоянная тяготения, коэффициент h = 1-3 в зависимости от модели движения облаков (для круговых орбит h = 1). Гораздо более надежно характерное расстояние (r) до газовых облаков может быть оценено путем измерения времени запаздывания переменности эмиссионных линий относительно переменности непрерывного спектра ядра активной галактики. Такое запаздывание было открыто в 1972 г. В.М. Лютым и А.М. Черепащуком при узкополосных фотометрических наблюдениях ядер ряда активных галактик в частотах эмиссионной линии На и соседнего непрерывного спектра (континуума). Оказалось, что, хотя континуум и линия меняются хаотически, изменения
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.