Телескоп XRISM впервые напрямую проследил вещество, падающее на нейтронную звезду
Рентгеновская обсерватория XRISM впервые получила прямые спектроскопические свидетельства того, как вещество звезды падает на её компактного компаньона — нейтронную звезду. Наблюдения системы BP Crucis показали, что поток раскалённой плазмы движется к пульсару GX 301−2 со скоростью около 540 000 км/ч. Это позволило непосредственно проследить процесс аккреции звёздного ветра, который ранее в таких системах восстанавливали преимущественно по косвенным признакам.
BP Crucis находится примерно в 13 000 световых лет от Земли в созвездии Южного Креста. Система состоит из голубого гипергиганта Wray 977 и нейтронной звезды GX 301−2. Масса Wray 977 примерно в 40 раз превышает солнечную, а радиус — приблизительно в 60 раз. Мощное излучение массивной звезды постоянно выбрасывает с её поверхности ионизированный газ, образующий звёздный ветер.
GX 301−2 представляет собой остаток массивной звезды, взорвавшейся как сверхновая. При массе больше солнечной диаметр нейтронной звезды составляет всего около 20 километров. Она совершает один оборот вокруг своей оси примерно за 11 минут и направляет в пространство пучок рентгеновского излучения, поэтому объект классифицируется как рентгеновский пульсар.
Нейтронная звезда обращается вокруг Wray 977 за 41,5 суток. Дважды за один оборот, вблизи ближайшей и наиболее удалённой точек орбиты, система переживает мощные рентгеновские вспышки продолжительностью несколько дней. Предполагается, что гравитация нейтронной звезды формирует в звёздном ветре особенно плотный поток плазмы. Когда пульсар проходит через него, часть вещества захватывается его гравитацией и становится источником рентгеновского излучения.
XRISM наблюдал систему 1 февраля 2025 года около 16 часов, когда завершалась одна из наиболее сильных вспышек. Главную роль сыграл установленный на обсерватории рентгеновский спектрометр Resolve, разработанный NASA и Японским агентством аэрокосмических исследований JAXA. Его спектрального разрешения оказалось достаточно, чтобы различить быстро меняющиеся линии излучения и поглощения железа в плазме рядом с нейтронной звездой.
Исследователи обнаружили линии поглощения сильно ионизированного железа, смещённые в сторону меньших энергий относительно их лабораторного положения. Такое красное смещение показало направление движения вещества, а его величина позволила определить скорость. Расчёты дали около 540 000 км/ч, или примерно 150 км/с, в направлении пульсара.
Спектр менялся непосредственно во время наблюдения. В начале преобладали линии поглощения водородоподобного и гелиеподобного железа, затем одновременно появились признаки поглощения и излучения, а к концу наблюдения линии стали преимущественно эмиссионными. Такая эволюция показывает, что распределение и движение плазмы около нейтронной звезды быстро менялись в ходе рентгеновской вспышки.
Авторы предложили модель, в которой структура потока меняется по мере движения пульсара через плотную область звёздного ветра. Сначала захваченное вещество обладает достаточным угловым моментом и формирует вокруг нейтронной звезды толстый турбулентный аккреционный диск. Плазма постепенно движется внутрь, нагревается и испускает рентгеновское излучение.
При дальнейшем продвижении пульсара через поток условия меняются. Веществу перестаёт хватать углового момента для поддержания диска, структура разрушается, и плазма начинает двигаться непосредственно к нейтронной звезде. Наблюдения XRISM пришлись на заключительную часть этой стадии. Ближе к выходу пульсара из плотного потока модель предполагает кратковременное повторное формирование турбулентного диска, вращающегося уже в противоположном направлении. Весь проход через поток занимает около четырёх суток.
Непосредственно наблюдаемым результатом исследования является спектроскопический сигнал падающей плазмы и измеренная скорость её движения. Изменение структуры аккреционного потока и образование временного диска представляют собой физическую интерпретацию спектральной эволюции. Изображения самого диска XRISM не получал.
Результат позволяет детальнее проверить модели аккреции в массивных рентгеновских двойных системах. Такие системы состоят из массивной обычной звезды и компактного объекта — нейтронной звезды или чёрной дыры. Компактный объект может захватывать часть звёздного ветра компаньона, однако проследить движение этого вещества непосредственно перед его падением чрезвычайно сложно.
Высокое спектральное разрешение Resolve позволяет определять не только химический состав горячего газа, но и его движение по небольшим смещениям спектральных линий. Повторные наблюдения GX 301−2 и других рентгеновских двойных систем позволят проверить, насколько часто аккреционный поток проходит через аналогичные стадии и характерна ли такая динамика для других пульсаров, питающихся звёздным ветром.
Исследование в журнале Science Advances.