AT 2021lwx

AT 2021lwx (также ZTF20abrbeie, или «Страшная Барби») — космический долговременный транзиентный источник чрезвычайно мощного электромагнитного излучения в диапазонах длин волн от инфракрасного до рентгеновского. По состоянию на 2024 год является наиболее энергичным известным источником излучения, не связанным с квазарами.

Местоположение

Расположен в созвездии Лисичка, имеет следующие экваториальные координаты на небесной сфере: прямое восхождение 21^h 13^m 48,41^s, склонение +27° 25′ 50,38″ (на эпоху J2000.0). Красное смещение источника $z=0,\!9945$. Следовательно, вспышка произошла, когда возраст Вселенной составлял около 6 млрд лет, и свет шёл от источника до нашей Галактики почти 8 млрд лет.

Фотометрическое расстояние $D_{l}$ до источника оценивается в 6,6 Гпк (около 22 млрд световых лет). Следовательно, собственное (физическое, эйлерово) расстояние до источника в современную эпоху (космологическое расстояние) $D_{c}$, связанное с фотометрическим расстоянием $D_{l}$ соотношением $D_{c}=D_{l}/(z+1)$, составляет около 3,3 Гпк (11 млрд световых лет). В расширяющейся Вселенной физические расстояния между объектами меняются пропорционально масштабному фактору $a(t)$. Если $t_{e}$ — момент излучения сигнала источником, $t_{0}$ — настоящий момент времени (момент приёма сигнала наблюдателем), то $a(t_{0})/a(t_{e})=z+1$. Следовательно, в момент излучения сигнала все пространственные масштабы во Вселенной были в 1,9945 раз меньше нынешних и источник находился на расстоянии около 1,7 Гпк (5,5 млрд световых лет) от нашей Галактики.

Наблюдения

Впервые источник был обнаружен 13 апреля 2021 года на оптических изображениях, полученных в рамках астрономического обзора Zwicky Transient Facility (ZTF). Исследование более ранних изображений обзора ZTF методом принудительной фотометрии (англ. forced photometry) выявило рост яркости в этой области (обозначенный как ZTF20abrbeie) как минимум с 16 июня 2020 года. Событие также было независимо зафиксировано в данных системы телескопов ATLAS (как ATLAS20bkdj) и системы телескопов Pan-STARRS (как PS22iin). Видимая звёздная величина источника в фотометрической полосе r (красная область видимого диапазона спектра, эффективная длина волны $\lambda _{eff}\approx$ 640 нм) в момент открытия составляла 18,05 ± 0,064. Максимум излучения в этой же полосе приходился на 18 марта 2021 года, после чего наблюдалось медленное уменьшение яркости. Длительность вспышки составляла не менее нескольких сотен суток.

Данные в среднем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра получены космической обсерваторией WISE в фотометрических полосах W1 ($\lambda _{eff}=$ 3,4 мкм) и W2 (4,6 мкм). Инфракрасное излучение в этом диапазоне наблюдалось с задержкой относительно оптического излучения. Это может указывать на наличие вокруг источника космической пыли, которая поглощает его оптическое и ультрафиолетовое излучение и переизлучает энергию в инфракрасной области спектра (т. н. пылевое эхо). C помощью Большого Канарского телескопа астрономы получили дополнительный спектр вспышки в ближнем инфракрасном диапазоне (в интервалах длин волн 0,85—1,35 и 1,45—2,42 мкм), на котором хорошо видно присутствие в светящемся веществе гелия, кислорода, а также огромное количество водорода.

Велись также наблюдения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спектра с помощью соответственно ультрафиолетового/оптического телескопа UVOT и рентгеновского телескопа XRT, установленных на борту орбитальной обсерватории Swift. В частности, был обнаружен слабый поток рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов 0,3—10 кэВ, равный $F_{X}\approx$ 1,1 ×10^–16 Вт/м² (2,1 ×10^–16 Вт/м² с учётом поглощения рентгеновского излучения межзвёздной средой нашей Галактики), что соответствует рентгеновской светимости $L_{X}\approx$ 10³⁸ Вт.

Наблюдаемая максимальная светимость источника составила 7 ×10³⁸ Вт при полной излучённой энергии 1,5 ×10⁴⁶ Дж. Родительская галактика источника не установлена; видимая звёздная величина гипотетической галактики (если она существует) в фотометрической полосе g (сине-голубая область видимого диапазона спектра, $\lambda _{eff}\approx$ 480 нм) $m_{g}>23,3$.

Спектроскопический анализ излучения источника в оптическом диапазоне проводился с помощью данных наблюдений спектрографа LRIS 10-метрового телескопа Кек I в Обсерватории Кека, спектрографа Kast Double Spectrograph 3-метрового рефлектора в Ликской обсерватории и двойного спектрографа (DBSP) 5,1-метрового телескопа Хейла в Паломарской обсерватории. Непрерывный спектр излучения в оптической и ультрафиолетовой областях совпадает со спектром излучения абсолютно чёрного тела с температурой 1,2 ×10⁴ К. В видимом диапазоне спектра излучения наблюдаются сильные линии излучения водорода (серия Бальмера), в ультрафиолетовой области — линии ионизованного гелия He II (с длиной волны 164 нм), трижды ионизованного углерода C IV (154,8 нм), полузапрещённые линии дважды ионизованного кремния Si III] (189,2 нм), однократно ионизованного углерода C II] (232,5 нм), дважды ионизованного углерода C III] (190,9 нм) и дважды ионизованного кислорода O III] (166,1 и 166,6 нм). Помимо этого наблюдались слабая линия ионизованного магния Mg II (280 нм), а также слабые разрешённая и запрещённая линии дважды ионизованного кислорода O III и [O III] (313,3 и 436,3 нм соответственно). При этом в спектре отсутствуют линии, характерные для активных ядер галактик: запрещённая линия ионизованного неона [Ne V] (342,6 нм), запрещённая линия однократно ионизованного кислорода [O II] (372,7 нм) и запрещённые линии дважды ионизованного кислорода [O III] с длинами волн 495,9 и 500,7 нм. Также не наблюдались широкие спектральные линии, характерные для событий приливного разрушения звёзд: дважды ионизованного азота N III (464 нм) и ионизованного гелия He II (468,6 нм).

В апреле 2022 года детектор IceCube обнаружил всплеск высокоэнергичных космических нейтрино, получивший название IC220405B, который может быть связан с источником AT 2021lwx. Предположительно, нейтрино могут рождаться в событиях приливного разрушения звезды в результате взаимодействия ускоренных протонов с инфракрасными фотонами.

Модели

Вспышка излучения AT 2021lwx представляет собой необычное событие, не соответствующее ни одной из известных моделей транзиентных источников. Анализ наблюдательных данных показывает, что доминирующим компонентом вспышки является излучение абсолютно чёрного тела радиусом ~10¹⁶ см (~10³ а. е.) и температурой 1,2 ×10⁴ К, уменьшающейся по мере убывания яркости вспышки. Вещество источника включает две составляющие: быструю (с дисперсией скоростей примерно 5400 км/с) и медленную (около 430 км/с); быстрая составляющая, вероятно, представляет собой выброс вещества. Есть признаки того, что источник окружён пылью, переизлучающей его оптическое и ультрафиолетовое излучение в инфракрасном диапазоне длин волн.

Источник AT 2021lwx на несколько звёздных величин ярче любой известной сверхновой звезды. В качестве возможного объяснения данного события рассматривалась вспышка сверхмощной сверхновой звезды (сверхновой SLSN типа). Эти сверхновые обладают очень высокой светимостью (более 7 ×10³⁶ Вт), которая в максимуме блеска превышает в 10—100 раз светимость обычных коллапсирующих сверхновых звёзд, и их общая излученная энергия примерно во столько же раз больше. Они взрываются посредством магниторотационного механизма с образованием магнитара и с последующей аккрецией вещества на нейтронную звезду или чёрную дыру. Их высокая светимость может обеспечиваться радиоактивным распадом никеля, замедлением вращения магнитара и взаимодействием выброшенной оболочки с околозвёздным веществом. Кроме того, взрывы сверхновых этого типа характеризуются большей длительностью и более широкими кривыми блеска, чем у обычных сверхновых. Кривые блеска сверхновых звёзд SLSN типа с магнитаром похожи на кривые блеска AT 2021lwx, однако их светимости в максимуме блеска на 1—2 порядка ниже, что плохо согласуется с данной гипотезой.

Другое возможное объяснение — вспышка активного ядра галактики. Форма кривой блеска AT 2021lwx похожа на кривую блеска вспышек излучения, наблюдающихся в ядрах сейфертовских галактик с узкими эмиссионными линиями в спектре (NLSy1). В этих объектах происходит интенсивная аккреция вещества на сверхмассивную чёрную дыру, а вспышки происходят при резком увеличении темпов аккреции (например, вследствие событий приливного разрушения звёзд или по другим причинам). Однако даже самые яркие из этих вспышек в максимуме своей яркости примерно в 2,5 слабее вспышки AT 2021lwx.

В целом, спектральные особенности излучения AT 2021lwx, плавный ход кривой блеска, большая продолжительность вспышки (около 3 лет), а также чрезвычайно высокая светимость не согласуются с предположениями, что источником вспышки является активность ядра галактики или сверхновая звезда. Данный источник, скорее всего, не может быть связан и с квазаром ввиду отсутствия наблюдаемого излучения в данной области неба в течение предыдущего десятилетия.

Гипотеза аккреции вещества на сверхмассивную чёрную дыру требует для объяснения наблюдательных данных слишком высоких темпов аккреции: около 0,5 M_⊙ за 400 суток (в системе отсчёта источника). По мнению группы американских исследователей из Университета Пердью, Калифорнийского университета и др., такой высокий темп аккреции может быть обеспечен только приливным разрушением звезды в гравитационном поле сверхмассивной чёрной дыры. Результаты компьютерного моделирования данного события лучше всего согласуются с наблюдательными данными о вспышке AT 2021lwx, если масса звезды составляет 14,28_−1,65^+0,67 M_⊙, а масса чёрной дыры — (1,7±0,1) ×10⁸ M_⊙.

Гипотеза приливного разрушения звезды главной последовательности с массой ~1 M_⊙ плохо согласуется с крайне высокой светимостью и большой длительностью вспышки AT 2021lwx, в то время как разрушение значительно более массивной звезды маловероятно. Предельная масса чёрной дыры для событий приливного разрушения составляет ~10⁸ M_⊙, потому что при большей массе чёрной дыры приливный радиус для звезды солнечной массы меньше радиуса самой внутренней устойчивой круговой орбиты (точное значение предельной массы зависит от типа звезды и вращения чёрной дыры). Компьютерное моделирование, проведённое другой группой исследователей, показывает, что для объяснения наблюдаемой кривой блеска вспышки AT 2021lwx чёрная дыра должна обладать массой 8,3 ×10⁸ M_⊙ (то есть очень близкой к предельному значению), а звезда — массой 14,8 M_⊙. Такое событие теоретически возможно, однако обладает крайне низкой вероятностью, в том числе из за очень малого срока жизни столь массивных звёзд (около 15 млн лет). Звезда такой массы должна была сформироваться в самой центральной области галактики, чтобы за время своей жизни успеть приблизиться к центральной чёрной дыре на расстояние меньше приливного радиуса. Наблюдаемых событий приливного разрушения звëзд массой около 15 M_⊙ должно быть в 10⁴ раз меньше, чем разрушений звëзд массой 1 M_⊙. Учитывая, что событий приливного разрушения наблюдалось всего несколько десятков, маловероятно, чтобы среди них попалось подобное (хотя рассчитанные ограничения на массы объектов могут меняться в зависимости от различных вводных параметров модели, например вращения чёрной дыры и эволюционного статуса звезды). Кроме того, существование столь массивных звëзд в родительской галактике подразумевало бы наличие в ней интенсивного звездообразования, что противоречит еë низкой яркости (и, как следствие, ненаблюдаемости). В действительности наблюдаемые или теоретически выведенные массы чёрных дыр, участвующих в событиях приливного разрушения звёзд, составляют от 5 ×10⁵ до 10⁷ M_⊙, а массы разрушающихся звёзд лежат в интервале 0,6—13 M_⊙. Поэтому для объяснения вспышки AT 2021lwx была предложена альтернативная модель, предполагающая внезапную аккрецию большого количества диффузного газа (вероятно, гигантского молекулярного облака) на сверхмассивную чёрную дыру массой 10⁸—10⁹ M_⊙.

Литература

• Лукаш В. Н., Михеева Е. В. Физическая космология. — М.: Физматлит, 2012. — 404 с. — ISBN 978-5-9221-1161-4.
• Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва.. — 3-е изд., перераб. и значит. доп.. — М.: URSS, 2016. — 616 с. — ISBN 978-5-9710-1679-3.
• Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. — 4-е изд. — М.: ДМК-Пресс, 2022. — 572 с. — ISBN 978-5-89818-132-1.
• Planck Collaboration. Aghanim N. et al. (2020). «Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters». Astronomy and Astrophysics 641: A6. DOI:10.1051/0004-6361/201833910. ISSN 0004-6361.
• Wiseman P. et al. (2024). «A systematically-selected sample of luminous, long-duration, ambiguous nuclear transients». arXiv.org: arXiv:2406.11552 [astro-ph.HE]. DOI:10.48550/arXiv.2406.11552.

Ссылки

• ZTF20abrbeie // Lasair.
• AT 2021lwx // Weizmann Interactive Supernova Data Repository.
• Overbye D. The Biggest Explosion in the Cosmos Just Keeps Going – For three years, telescopes have monitored “one of the most luminous” events ever: a supermassive black hole consuming a gigantic cloud of interstellar gas. (12 мая 2023 года). Проверено 13 мая 2023.
• This Is The Largest Cosmic Explosion In The Universe Ever Seen англ.. IFLScience (2023-05-11). Архивировано из первоисточника 15 мая 2023. Проверено 15 мая 2023.
• Космологический калькулятор Неда Райта (ресурс, позволяющий проводить расчёты расстояний до астрономических источников излучения и времени распространения света от источника до наблюдателя по красному смещению источника при заданных космологических параметрах).

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «AT 2021lwx», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/AT_2021lwx» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».