Версия для печати

Российский рентгеновский телескоп ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» помогает выяснить природу источников высокоэнергичного излучения

Российские астрофизики из Института космических исследований (ИКИ) и Физико-технического института (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук исследовали компактный звездный кластер Вестерлунд 2. Благодаря новым данным, полученным российским рентгеновским телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского на борту обсерватории «Спектр-РГ», стало понятно, что источником высокоэнергичного рентгеновского излучения в нем, скорее всего, служат электроны звездного ветра, разогнанные до очень высоких энергий. Статья с результатами работы принята к публикации в журнале MNRAS и опубликована в архиве электронных препринтов.

Компактный кластер молодых звезд Вестерлунд 2 (Westerlund 2), расположенный на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли. Данные видимого диапазона получены космическим телескопом им. Хаббла (NASA, зеленый и голубой цвета). Данные рентгеновского диапазона получены обсерваторией Chandra (NASA, фиолетовый цвет). Изображение: X-ray: NASA/CXC/SAO/Sejong Univ./Hur et al; Optical: NASA/STScI.

Объект под названием Вестерлунд 2 (Westerlund 2) — это скопление молодых и горячих звезд с мощными звездными ветрами или, другими словами, «компактный звездный кластер». Он известен многим благодаря красивым изображениям (в псевдоцветах), полученным космическим телескопом им. Хаббла и James Webb Space Telescope (NASA). Но астрофизиков он интересует совсем не из-за красоты.

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).

Объект Вестерлунд 2 находится в нашей Галактике на расстоянии примерно 20 000 световых лет от Земли. Он виден во всех диапазонах электромагнитного спектра, в том числе в самых высокоэнергичных — рентгеновских и гамма-лучах. А это значит, что в кластере действует механизм, который «разгоняет» протоны, электроны и позитроны до очень высоких энергий.

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 им. 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.

Изображение компактного кластера Вестерлунд 2 (Westerlund 2), полученное телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ», в двух диапазонах: 4–12 кэВ (слева) и 14–30 кэВ (справа). Зелеными контурами показана исследованная область и поле зрения телескопа Chandra (NASA). Белые контуры — отдельные источники. Красным показаны области, исключенные из анализа. Источник: A. M. Bykov, Yu. A. Uvarov, M. E. Kalyashova, D. V. Badmaev, I. Yu. Lapshov, A. A. Lutovinov, I. A. Mereminskiy, A. N. Semena X-ray emission from Westerlund 2 detected by SRG/ART-XC and Chandra: search for radiation of TeV leptons, MNRAS (2023).

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 при поддержке Российского научного фонда (РНФ 21-72-20020) ими были построены трехмерные магнитогидродинамические модели динамики потоков плазмы и ускорения частиц в скоплении звезд. Теперь же появилась возможность сравнить расчеты с реально наблюдаемой картинкой.

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 им. М. Н. Павлинского.

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.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0,3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Источник: ИКИ РАН.