одинакова для обеих струй. Теперь становится ясным смысл результата (3.11):
величина [pic] характеризует сразу обе излучающие области, потому что
скорость выброса обеих струй одинакова.
Скорость [pic] составляет приблизительно одну четвертую часть скорости
света. Это очень большая скорость, и потому сделанные нами предварительные
оценки лучевых; скоростей (относящиеся к тому состоянию источника, которое
наблюдалось летом 1978 г.) должны быть уточнены. С учетом релятивистского
корня [pic] лучевые скорости оказываются одинаковыми по абсолютной
величине: [pic]=[pic]==0,06с.
Двойная система
Модель прецессирующих струй дает простой и красивый ответ на вопрос,
как в одном источнике могут возникнуть три системы эмиссионных линий с их
запутанными, на первый взгляд, изменениями во времени. Гораздо труднее
ответить на вопрос, почему возникают и прецессируют струи, бьющие со
скоростями, близкими к скорости света. Тщательные наблюдения и углубленный
анализ данных позволят, как можно надеяться, приблизиться к пониманию
физического механизма действующего источника SS 433. Накопление сведений
продолжается, и ряд важных обстоятельств уже удалось выяснить.
Прежде всего, можно сделать определенное заключение о температуре газа
в излучающих областях SS 433. Для водорода, эмиссионные спектры которого
сильнее всех других линий в этом источнике, имеется характерная температура
порядка 10 тысяч градусов; она определяет границу между ионизованным и не
ионизованным состояниями газа. Если температура превышает 10 – 20 тысяч
градусов, тепловые движения атомов столь энергичны, что при их
столкновениях электронам может быть передана энергия, превышающая
максимально возможную энергию электрона в атоме и, следовательно,
достаточная для отрыва электронов от ядер. В таком состоянии имеются,
свободные электроны и свободные ядра водорода – протоны, газ ионизован и
представляет собой плазму. Когда электроны не связаны с ядрами в атомы,
спектральные линии, соответствующие переходам электронов в атомах,
возникать, очевидно, не могут. Так как в SS 433 линии наблюдаются,
температура излучающих областей не превышает характерной температуры
ионизации и 20 тысяч градусов – это для нее верхний предел.
Температура вещества в струях не может быть и слишком низкой – ведь
совсем холодный газ линии не излучает. Скорее всего, температура излучающих
областей SS 433 близка к 10 тысячам градусов. Средние скорости тепловых
движений атомов при такой температуре, можно найти по общей формуле -
кинетической теории газов;
[pic] (3.18)
Здесь k=1,38·10-23Дж/К – постоянная Больцмана, mн=1,67·10-27 кг -масса
атома водорода. При T=104 К [pic]=2 ·104 м/с=20 км/с. Эта скорость в 4
тысячи раз меньше скорости движения струй. Такое значительное различие
скоростей само по себе требует объяснения.
Интересны соображения о собственной ширине струй. Струи не могут быть
слишком широкими: будь их угол раствора [pic] сравним с углом прецессии
[pic]20°, вся картина была бы смазанной и нечеткой. Вместо линий в спектре
источника имелись бы размытые полосы, соответствующее всем различным
значениям лучевой скорости, которые она принимает на толщине струи. В
действительности линии-спутники в SS 433 весьма узки, и в крайних
положениях их толщина во всяком случае гораздо меньше расстояния до
основной линии на шкале длин волн. По-видимому, угол раствора [pic] не
больше 3-4°. Столь высокая степень направленности струй представляет собой,
пожалуй, один из самых трудных вопросов в физике SS 433.
Внимательное изучение основной излучающей области SS 433 обнаружило,
что излучаемые ею линии не стоят на месте: они тоже совершают периодические
смещения по шкале длин волн, но только гораздо более слабые, чем линии-
спутники (потому-то эти движения и не сразу заметили). Эти слабые смещения
соответствуют периодическим движениям с амплитудой (максимальным значением
абсолютной величины) скорости около 70 км/с. Это в 1000 раз меньше скорости
струй. Период слабых смещений равен 13 дням.
Период и скорость, соответствующие слабым смещениям эмиссионных линий
из основной излучающей области, очень близки к тому, что обычно наблюдается
в тесных двойных системах звезд. Довольно естественно понимать эти данные
так, что в SS 433 имеются две звезды, совершающие периодические – с
периодом 13 дней – движения вокруг их общего центра масс. Тогда
традиционные методы астрономии, разработанные и испытанные в многочисленных
наблюдениях двойных звезд, должны и здесь многое прояснить.
Действительно, детальные оптические наблюдения позволяют утверждать,
что одна из звезд в SS 433 – обычная звезда спектрального класса О или В с
массой в (10 – 20) [pic], температурой поверхности 20 тысяч градусов и
радиусом в 2·10l9 м. С радиусом этой звезды сравним и размер двойной
системы, т. е. расстояние между ее компонентами.
Соображения, которыми обычно пользуются астрономы для определения
расстояний до звезд (они связаны в первую очередь с интенсивностью линий
поглощения, создаваемых в спектре источника межзвездным газом), позволили
оценить и удалённость SS 433: источник находится до нас на расстоянии
приблизительно в 5,5 кпк. Это гораздо больше расстояния до ближайших к нам
звезд (несколько парсек), но все же заметно меньше поперечника Галактики
(около 30 кпк).
Зная расстояние, можно по принимаемому потоку излучения оценить и
полную энергию, испускаемую источником в единицу времени (если считать, что
он одинаково светит во все стороны). Так найдена полная светимость SS 433:
L=1032-1033 Вт, что в сотни тысяч или миллионы раз больше светимости
Солнца. На свет струй приходится около одного процента полной светимости.
Размеры их излучающих областей оцениваются в 1010м, что сравнимо с размером
двойной системы.
SS 433 испускает не только оптическое, но также рентгеновское и
радиоизлучение. На рентгеновской карте источника различают центральный
источник рентгеновских лучей и протяженные вытянутые структуры с
собственными размерами, значительно превышающими размеры двойной звездной
системы. Сходное строение обнаруживается и по радиоастрономическим данным.
Рентгеновская светимость составляет 3 ·1028 Вт, радиосветимость – 3
·1025Вт.
Все это очень напоминает хорошо известную астрономам картину
туманностей, которые остаются на небе от вспышек сверхновых звезд. Скорее
всего, что и SS 433, т. е. двойная звезда вместе с протяженными областями,
излучающими рентгеновские лучи и радиоволны, – результат вспышки
сверхновой, происшедшей, насколько можно судить, десятки тысяч лет назад.
Но если так, то можно высказать определенные догадки и о второй звезде,
составляющей вместе с обычной звездой двойную систему SS 433. Она может
быть компактным остатком сверхновой – нейтронной звездой или черной дырой.
Согласно данным советского астронома А. М. Черепащука компактный объект в
SS 433 может иметь массу до (4 – 5) [pic]. При массе, превышающей предел в
(3 – 3,5)[pic], это должна быть черная дыра, а не нейтронная звезда.
Как и в уже известных тесных двойных систему в SS 433 можно
предполагать перетекание вещества с обычной звезды на компактный объект под
действием его силы притяжения. Не исключено, что вещество захватывается на
круговые орбиты, закручивается вокруг компактного объекта, прежде чем
упасть на него, и образует довольно значительный по массе вращающийся диск,
похожий по виду на кольца Сатурна. Предполагают, что именно из такого диска
– вдоль его оси – и могли бы выбрасываться струи, обнаруженные в SS 433. Их
могло бы питать вещество, перетекающее с обычной звезды на комнатный
объект.
Что разгоняет вещество струй до релятивистских скоростей? Почему струи
такие узкие? Какова причина и прецессии?
Эти важные вопросы ждут своего решения.
Но есть и еще один вопрос, возможно, самый важный и интересный. В
явлениях совсем иного, гораздо большего масштаба, в мире гигантских
радиогалактик и квазаров, известны выбросы и струи, непосредственно
наблюдаемые по их оптическому и радиоизлучению. В некоторых-случаях
вещество выбрасывается с явно релятивистскими скоростями. Узкие вытянутые
структуры простираются на расстояния в десятки и сотни килопарсек. Не
встречаемся ли мы здесь с явлением той же природы, что и в SS 433, но
только увеличенным до огромных размеров? Или иначе – не служит ли SS 433
уменьшенной в 1010 – 1012 раз копией огромного «механизма», действующего в
активных ядрах галактик и квазарах?
Не исключено, что в обоих случаях причиной релятивистских выбросов и
струй служат мощные газодинамические процессы, развивающиеся в окрестности
черной дыры.
Понимание этих процессов остается пока далеко не полным; но,
замечательна уже и сама возможность универсального физического механизма,
действующего в столь различных масштабах, как двойная звезда SS 433 и
гигантские радиогалактики и квазары. [21]
3.2. Джеты
Релятивистские джеты проявляют себя во всех диапазонах
электромагнитного спектра. Движущиеся по спектру эмиссионные линии водорода
и гелия имеют сложный профиль и сильно переменны, что свидетельствует о
клочковатой структуре джетов. Оптическое излучение джетов в линиях
возникает на расстоянии примерно 1015 см от центрального источника, где
температура плазмы опускается до 104 К. Однако на малых расстояниях внутри
орбиты двойной звездной системы температура вещества джетов достигает сотен
млн. К. О наличии такой высокотемпературной плазмы у основания джетов
впервые узнали из анализа рентгеновских спектров, полученных на ИСЗ
«Экзосат» в середине 80-х годов. В этих спектрах присутствовала линия
излучения, принадлежащая ионизованным до гелиеподобного состояния атомам
железа (Fe XXV). В таком состоянии возле ядра остается только два
электрона. Линия возникает в результате перехода электронов с первого
возбужденного уровня на основной. Испускаемые при этом кванты в
лабораторной системе отсчета имеют энергию 6,7 кэВ. Эта линия смещалась по
спектру с тем же периодом 163 дня, как и оптические линии. Более того,
совпали и амплитуды этих смещений. Тем самым кинематическая модель джетов
была подтверждена вплоть до расстояний от источника порядка 1012 см. Еще
более интригующими оказались результаты рентгеновских наблюдений,
проведенных ИСЗ «Гинга» в 1987–1989 гг. Во-первых, в несколько раз возросла
полная рентгеновская светимость компактного источника, а спектр стал
жестче. Во-вторых, как обнаружил Н. Каваи, структура эмиссионной
рентгеновской линии железа оказалась более, сложной.
В спектре присутствовала широкая линия, положение которой (около 7
кэВ) не изменялось с фазой прецессионного цикла. Эта компонента принадлежит
переходам между первым возбужденным и основным уровнем уже
водородоподобного (Ре XXVI) железа. Отсутствие заметного смещения с фазой
прецессионного цикла говорит о том, что широкая линия формируется не в
джете, а преимущественно в квазисферической оболочке, не участвующей в
релятивистском движении. Кроме этого, в спектре наблюдалась узкая
компонента, энергия которой периодически изменялась с фазой прецессии, т.
е. эта линия рождалась в релятивистском джете и принадлежала атомам железа,
находящимся в более низких стадиях ионизации. По наблюдениям с ИСЗ «Гинга»
впервые были получены кривые блеска рентгеновских затмений. Эти затмения
возникают в результате покрытия оптической звездой горячих областей
квазисферической оболочки и основания джетов. Как следует из анализа этих
затмений, большая часть рентгеновского излучения выходит из области с
размером порядка 0,1 расстояния между компонентами двойной системы.
Длительность рентгеновских затмений позволяет оценить отношение масс в
системе.
3.3. Модель SS 433
Главное, что отличает SS 433 от других систем с перетеканием вещества
на компактный объект, и с чем связаны феномены этого источника – это
огромная скорость поступления вещества в аккреционный диск. При такой
скорости устанавливается режим сверхкритической дисковой аккреции. В чем же
здесь дело?
Как известно, при дифференциальном кеплеровском вращении вещества,
которое устанавливается в аккреционном диске вокруг компактного объекта, за
счет некоторых механизмов вязкости (в основном, турбулентности) происходит
выделение энергии и потеря момента количества движения. В результате этого
вещество оседает на тяготеющий центр. На больших расстояниях от тела с
массой М светимость диска вне радиуса R оказывается равной 3/2 GMM/R, где
G=6,67·10-7 см3с-2г-1 – гравитационная постоянная, М – скорость аккреции. С
приближением к центру при данном темпе аккреции энерговыделение возрастает.
С другой стороны, оно не может превысить некоторый предел, называемый
Эддингтоновским пределом светимости. Эта светимость для центральной массы
порядка солнечной примерно равна 1038 эрг/с. На расстояниях около 10 км
(радиус нейтронной звезды или последняя устойчивая круговая орбита вокруг
черной дыры солнечной массы) Эддингтоновский предел достигается при темпах
аккреции порядка 10-8 [pic]/год. [12].
Светимость обычных двойных рентгеновских источников, как правило,
меньше Эддингтоновского предела и соответственно темп аккреции меньше 10-8
[pic]/год.
Однако при характерном для SS 433 темпе втекания вещества в диск (10-
5[pic]/год) этот предел достигается на расстояниях в тысячи раз больших
радиуса нейтронной звезды (считаем, что масса центрального объекта близка к
солнечной). Внутрь этого радиуса вещество будет проникать только при таком
темпе, который обеспечивает энерговыделение на уровне критического. Все
остальное вещество должно отбрасываться давлением излучения и оттекать от
диска со скоростью, близкой к параболической на данном расстоянии от
центрального тела, образуя квази сферическую оболочку. В случае SS 433
скорость оказывается порядка 3·103 км/с. Кинетическая мощность (т. е.
скорость вы носа кинетической энергии) оттекающего вещества будет порядка
Эддингтоновской светимости.
При определенных условиях в центре диска могут возникнуть две
противоположно направленные воронки, которые и направляют релятивистские
джеты. Откуда же возьмутся джеты? Как представляется, небольшой градиент
давления вблизи поверхности центрального источника вполне достаточен, чтобы
вещество вырывалось с параболической скоростью (а это как раз 0,3–0,5
скорости света для нейтронной звезды). Важно, что из-за действия вязкости
скорость оттока вещества на больших расстояниях от поверхности нейтронной
звезды будет практически постоянной (3·103 км/с). При этом центральная
оболочка со стороны должна выглядеть совершенно одинаково вне зависимости
от того, нейтронная звезда или черная дыра спрятана в ее недрах. Однако, по
мнению авторов, небольшой градиент давления вполне может создаться на
поверхности быстровращающейся нейтронной звезды со слабым магнитным полем.
Именно наличие такой нейтронной звезды объясняет появление джетов с
наблюдаемой скоростью.
Широкая компонента
Оттекающий от центральных частей диска поток неоднороден. Его можно
представить разбитым на сгустки холодной и плотной плазмы, движущейся в
более горячей и разреженной среде (вроде всплывающих облаков). Перемещение
этих «островков» относительно горячей среды разогревает их внешние части.
Именно в этой горячей среде в результате фоторекомбинации и возникает
широкая и мощная линия водородоподобного железа (энергия линии 6,95– 6,97
кэВ). Характерная температура в области формирования широкой линии порядка
1 кэВ, и высокая степень ионизации железа при такой температуре
поддерживается процессами фотопоглощения квантов с энергиями 10 кэВ и выше,
которые приходят из более глубоких слоев. Фотоны, испускаемые в линии,
несколько раз рассеиваются на горячих электронах плазмы, что и создает
широкую линию. Затем эти фотоны рассеиваются на более холодных всплывающих
островках вещества практически не меняя своей энергии. При этом они
проходят дополнительный путь и выходят из оболочки много дальше зоны
формирования широкой линии. Именно эта эффективная оболочка с радиусом 0,1
расстояния между компонентами затмевается нормальной звездой. Анализ
показывает, что иногда широкая линия железа также частично рождается в
джете, однако физически это совсем другая линия – это К-линия низко
ионизованного железа с энергией 6,4 кэВ, смещенная до энергии 7 кэВ из-за
эффекта Доплера. Она уширяется при рассеянии на горячих электронах в джете,
который неоднороден и состоит из отдельных более холодных сгустков,
окруженных горячей разреженной плазмой. Добавим, что центральная оболочка и
джет погружены в еще более разреженную корону (или гало), и даже при полном
затмении центральной оболочки и джета мы все-таки наблюдаем остаточное
рентгеновское излучение, рассеянное на электронах не затмевающейся короны.
Нужная концентрация электронов во внешнем гало поддерживается
дополнительной поставкой их при «таянии» всплывающих плотных островков в
разреженной плазме внешней короны.
