Szczegółowe badania XRISM Cygnusa X-3, unikalnego układu podwójnego oddalonego o 32 000 lat świetlnych, ujawniają złożoną dynamikę gazu napędzaną przez gwiazdę Wolfa-Rayeta i jej zwartego towarzysza, prawdopodobnie gwiazdę czarna dziura.
Monitorując system na kilku orbitach, spektrometr o wysokiej rozdzielczości XRISM zidentyfikował interakcje wypływającego gazu, oświetlonego i zjonizowanego przez promienie rentgenowskie. Odkrycia, w tym wgląd w przesunięcia Dopplera i efekty wiatru gwiazdowego, podkreślają najnowocześniejsze możliwości misji i torują drogę do zrozumienia tajemniczego towarzysza Cygnusa X-3.
Uchwycenie intrygującej dynamiki Cygnusa X-3
Kierowane przez Japonię obserwatorium XRISM (X-ray Imaging and Spectrscopic Mission) stworzyło najbardziej szczegółowy jak dotąd obraz przepływów gazu w Cygnus X-3, szeroko badanym i fascynującym źródle promieniowania rentgenowskiego na niebie.
Cygnus X-3 to układ podwójny gwiazd składający się z rzadkiej, masywnej gwiazdy w połączeniu ze zwartym towarzyszem, którym prawdopodobnie jest czarna dziura.
„Natura masywnej gwiazdy to jeden z czynników, który sprawia, że Cygnus X-3 jest tak intrygujący” – wyjaśnił Ralf Ballhausen, doktor habilitowany na Uniwersytecie Maryland w College Park i NASACentrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt w stanie Maryland. „To gwiazda Wolfa-Rayeta, typ, który ewoluował do punktu, w którym silne wypływy zwane wiatrami gwiazdowymi usuwają gaz z powierzchni gwiazdy i wypychają go na zewnątrz. Kompaktowy obiekt unosi i podgrzewa część tego gazu, powodując emisję promieni rentgenowskich.”
Wyniki, pod przewodnictwem Ballhausena, zostaną opublikowane w nadchodzącym wydaniu magazynu The Dziennik astrofizyczny.
Dlaczego XRISM jest idealny dla Cygnus X-3
„W przypadku XRISM Cygnus X-3 jest celem Złotowłosej — jego jasność jest „w sam raz” w zakresie energii, w którym XRISM jest szczególnie czuły” – powiedział współautor Timothy Kallman, astrofizyk w NASA Goddard. „To niezwykłe źródło było badane przez każdy satelita rentgenowski, jaki kiedykolwiek latał, więc obserwacja go jest rodzajem rytuału przejścia dla nowych misji rentgenowskich”.
XRISM (wymawiane „crism”) jest prowadzony przez JAXA (Japońska Agencja Badań Kosmicznych) we współpracy z NASA, przy wsparciu ESA (Europejska Agencja Kosmiczna). NASA i JAXA opracowały na potrzeby misji spektrometr mikrokalorymetryczny o nazwie Resolve.
Spostrzeżenia w wysokiej rozdzielczości z instrumentu Resolve firmy XRISM
Obserwując Cygnus X-3 przez 18 godzin pod koniec marca, Resolve uzyskał widmo o wysokiej rozdzielczości, które pozwala astronomom lepiej zrozumieć złożoną dynamikę gazu tam zachodzącą. Należą do nich wypływający gaz wytwarzany przez gorącą, masywną gwiazdę, jego interakcję ze zwartym towarzyszem oraz turbulentny obszar, który może reprezentować ślad wytwarzany przez towarzysza podczas jego orbitowania przez wypływający gaz.
W Cygnus X-3 gwiazda i zwarty obiekt są tak blisko, że okrążają je w zaledwie 4,8 godziny. Uważa się, że układ podwójny znajduje się w odległości około 32 000 lat świetlnych od nas, w kierunku północnego gwiazdozbioru Łabędzia.
Podczas gdy grube obłoki pyłu w płaszczyźnie centralnej naszej galaktyki przesłaniają wszelkie widzialne światło Cygnusa X-3, układ podwójny badano w zakresie radiowym, podczerwonym, promieniowaniu gamma, a także promieniowaniu rentgenowskim.
Odkrywanie ruchów gazów za pomocą efektu Dopplera
Układ jest zanurzony w strumieniu gazu gwiazdy, który jest oświetlany i jonizowany przez promienie rentgenowskie emitowane przez zwartego towarzysza. Gaz zarówno emituje, jak i pochłania promieniowanie rentgenowskie, a wiele znaczących szczytów i dolin widma obejmuje oba aspekty. Jednak prosta próba zrozumienia widma kończy się niepowodzeniem, ponieważ niektóre cechy wydają się znajdować w niewłaściwym miejscu.
Dzieje się tak dlatego, że szybki ruch gazu wypiera te cechy z ich normalnych energii laboratoryjnych w wyniku efektu Dopplera. Doliny absorpcyjne zazwyczaj przesuwają się w stronę wyższych energii, co wskazuje, że gaz przemieszcza się w naszą stronę z prędkością dochodzącą do 1,5 miliona km/h. Szczyty emisji przesuwają się w stronę niższych energii, co wskazuje, że gaz oddala się od nas z mniejszą prędkością.
Niektóre cechy widmowe wykazały znacznie silniejsze doliny absorpcji niż szczyty emisji. Zespół podsumowuje tę nierównowagę faktem, że dynamika wiatru gwiazdowego pozwala poruszającemu się gazowi absorbować szerszy zakres energii promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez towarzysza. Szczegóły widma XRISM, szczególnie przy wyższych energiach bogatych w cechy wytwarzane przez zjonizowane atomy żelaza, pozwoliły naukowcom rozwikłać te efekty.
Określanie kompaktowego towarzysza Cygnusa X-3
„Kluczem do uzyskania tych szczegółów była zdolność XRISM do monitorowania systemu podczas kilku orbit” – powiedział Brian Williams, naukowiec pracujący w NASA nad misją w Goddard. „W tym widmie jest znacznie więcej do zbadania i ostatecznie mamy nadzieję, że pomoże nam to ustalić, czy zwarty obiekt Cygnus X-3 jest rzeczywiście czarną dziurą”.
XRISM to misja oparta na współpracy JAXA i NASA, w której uczestniczy ESA. Wkład NASA obejmuje udział nauki z CSA (Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej).
