Спектр-РГ увидел последствия активности черной дыры
Астрофизики исследовали гигантские волокна горячего газа в центре группы галактик. Полагают, что газовые структуры образовались в результате активности сверхмассивной черной дыры миллионы лет назад. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
Массивные структуры в нашей Вселенной, такие как гигантские эллиптические галактики, группы и скопления галактик, в основном состоят из темной материи. Ее невозможно увидеть с помощью света, зато она образует гравитационные «колодца», в которые падает окружающие их «видимое» - барионное вещество. Оно составляет лишь малый процент от массы структур, однако большая его часть заполняет скопления в виде горячего газа, разогретого до десятков и сотен миллионов градусов и ярко светящегося в рентгеновском диапазоне.
В центральной части каждого гало плотность газа настолько высока, что он мог бы конденсироваться с образованием новых звезд, но этого не происходит: в центре гало доминирует горячий газ и старые звезды. Причина этого остается загадкой, ученые предполагают, что на его нагрев может влиять сверхмассивная черная дыра в центре галактики по механизму «обратной связи»: при остывании газа, черная дыра начинает его аккрецировать (перетягивать) его быстрее, тем самым образуя вокруг себя аккреционный диск и, вместе с этим, выбрасывая огромное количество вещества и энергии в виде струй плазмы (релятивистских джетов). Эта энергия и нагревает газ, предотвращая его дальнейшее охлаждение.
Существует множество моделей, подтверждающих эту идею, однако трудно однозначно сказать, какие конкретные физические процессы ответственны за нагрев относительно холодного газа в гало.
Чтобы ответить на эти вопросы, ученые с помощью космической обсерватории «Спектр-РГ», разработанной в НПО Лавочкина (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), и радиоинтерферометра LOFAR исследовали группу галактик NEST200047 в 250 миллионах световых лет от нас. В ее центре находится гигантская эллиптическая галактика с активным ядром – аккрецирующей вещество сверхмассивной черной дырой.
Близ сверхмассивной черной дыры ученые рассмотрели богатую систему ярких в радиодиапазоне волокон, погруженных в атмосферу горячего газа, излучающего в рентгене.
Изображения группы галактик NEST200047 в радио- (слева) и рентгеновском (справа) диапазонах, полученные соответственно радиоинтерферометром LOFAR и телескопом СРГ/eROSITA, установленном на борту КА «Спектр-РГ». Размер сложных структур, видимых в радиодиапазоне, составляет более полутора миллионов световых лет.
Полагают, что горячие волокна образовались в результате активности сверхмассивной черной дыры несколько сотен миллионов лет назад — примерно тогда, когда на Земле появились динозавры. Однако до сих пор они имеют четкую границу и не полностью смешались с тепловым газом вокруг. Волокна в виде сложной паутины из нитей напоминают структуры, образующиеся, когда в атмосфере поднимаются горячие клубы дыма. Отсутствие перемешивания между рентгеновской и радиоизлучающей плазмами, особенно интересно для решения загадки о влиянии сверхмассивных черных дыр на нагрев окружающего газа.
«Скопление NEST200047 оказалось особенным. Радиоизлучение исходит не только от центра, но и от богатой и сложной системы волокон, покрывающих область более 600 тысяч световых лет! В ней видны структуры, напоминающие вихревые кольца» - рассказывают авторы работы – «Радио- и рентгеновские изображения демонстрируют, что плазма, выброшенная сверхмассивной чёрной дырой, была деформирована сложными движениями в течение более ста миллионов лет, но за всё это время она не полностью перемешалась с окружающей тепловой плазмой скорее всего, из-за присутствия динамически важного магнитного поля».
Группа галактик NEST200047 - уникальный пример объекта, в котором можно проследить историю активности сверхмассивной черной дыры в течение сотен миллионов лет. Поднимающиеся пузыри релятивистской плазмы работают как гигантская ложка, «помешивающая» тепловую рентгеновскую плазму, не давая ей остывать.
***
Исследование — результат совместной работы международной группы астрофизиков. В неё вошли сотрудники ИКИ РАН Е. Чуразов, И. Хабибуллин, Н. Лыскова, Р. Буренин и Р. Сюняев и Казанского федерального университета И. Бикмаев, а также университета Болоньи, INAF, Туринской обсерватории (Италия), Лейденской обсерватории, ASTRON (Нидерланды), Гамбургской обсерватории, Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия), университета Хердфордшира (Великобритания), IASF, DIAS, SRON, WPI, Парижской обсерватории (Франция), университета Родса (ЮАР).
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 (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. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.