новости библиотека новые книги ссылки карта проектов о сайте



Пользовательского поиска




27.10.2014

Океанские волны черных дыр

Сотрудники Института космических исследований РАН и их зарубежные коллеги выяснили, как нагреваются самые массивные объекты во Вселенной – скопления галактик. Причиной этому – вызванные сверхмассивными черными дырами турбулентные движения в центрах скоплений галактик.

Скопление галактик в скоплении Персея (Perseus cluster), которое исследовалось в описываемой работе
Скопление галактик в скоплении Персея (Perseus cluster), которое исследовалось в описываемой работе

Самые массивные

Скопления галактик – самые массивные объекты во Вселенной. Они состоят из сотен и тысяч галактик, горячего газа и темной материи, которые внутри скопления удерживает вместе гравитация. Горячий газ, представляющий собой самую массивную барионную компоненту скоплений, разогрет до температур в десятки и сотни миллионов градусов и интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне (поэтому скопления – яркие источники рентгеновского излучения).

При этом энергия, которая идет на излучение, черпается из тепловой энергии частиц газа, резервуар которой конечен, поэтому со временем газ должен остывать. В результате в центрах скоплений, где время охлаждения (сотни миллионов лет) намного меньше возраста самих скоплений (миллиарды лет), должен постепенно скапливаться холодный газ и, как следствие, интенсивно образовываться звезды.

а) Изображение скопления галактик в созвездии Персея в рентгеновском диапазоне. Цвет отображает яркость скопления: от высокой в центре (белый) до более низкой к краям (синий). b) Отклонения рентгеновской поверхностной яркости в скоплении в Персее от симметричной модели (изменение цвета от синего к красному и белому означает увеличение рентгеновской яркости)
а) Изображение скопления галактик в созвездии Персея в рентгеновском диапазоне. Цвет отображает яркость скопления: от высокой в центре (белый) до более низкой к краям (синий). b) Отклонения рентгеновской поверхностной яркости в скоплении в Персее от симметричной модели (изменение цвета от синего к красному и белому означает увеличение рентгеновской яркости)

Но наблюдения не подтвердили наличие холодного газа предсказываемой массы.

Это значит, что в центральных областях скоплений галактик должен быть какой-то источник нагрева газа.

Наиболее вероятными кандидатами на эту роль являются гигантские черные дыры в центрах скоплений галактик массой в миллионы и даже миллиарды масс Солнца. Ранее было показано, что механическая мощность пузырей релятивистской плазмы, «надутых» такой сверхмассивной черной дырой, сравнима с величиной потерь газа на охлаждение при рентгеновском излучении. Однако оставалось неясным, как именно происходит нагрев газа.

Ответ на вопрос, как нагревается газ в ядрах скоплений галактик, был получен международной группой ученых, куда вошли астрофизики из России, сотрудники Стэнфордского университета (США), ИКИ РАН, Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия), Оксфордского университета (Великобритания) и других институтов.

Моделирование всплывающих пузырей релятивистской плазмы в центрах скоплений галактик (из работы Чуразова и др., 2001). Вероятно, что турбулентные движения газа возбуждаются подобными пузырями
Моделирование всплывающих пузырей релятивистской плазмы в центрах скоплений галактик (из работы Чуразова и др., 2001). Вероятно, что турбулентные движения газа возбуждаются подобными пузырями

«Есть несколько возможных механизмов передачи энергии от сверхмассивных черных дыр к горячему газу в центрах скоплений галактик. Однако до сих пор не было известно, какой из них реализуется, – говорит первый автор статьи, постдок Стэнфордского университета (США), выпускница Санкт-Петербургского государственного университета Ирина Журавлева. – Мы показали, что нагрев происходит за счет диссипации турбулентных движений газа, которые можно измерить с помощью статистического анализа рентгеновских изображений скоплений галактик».

Пузыри релятивистской плазмы, «надутые» черной дырой, расширяются и всплывают в горячем газе скоплений.

При этом они возбуждают внутренние волны и турбулентность газа, передавая им большую часть своей энергии, которая в конечном итоге переходит в тепло. Но чтобы определить темп нагрева за счет турбулентности, необходимо измерить скорости движений газа, что не удается сделать напрямую из-за недостаточного спектрального разрешения существующих рентгеновских обсерваторий.

Пришлось действовать «обходными» методами

Группа исследователей предложила метод измерения скоростей турбулентных движений газа. «Нам удалось связать амплитуду флуктуаций плотности со скоростями движений горячего газа в скоплениях галактик. Ситуация очень схожа с волнами на поверхности океана, – говорит ведущий сотрудник ИКИ РАН, член-корреспондент РАН Евгений Чуразов. – Чем больше скорость воды, тем выше волны на поверхности океана. Аналогичная связь есть и для газа скоплений галактик».

Чтобы применить эту связь на практике реальных наблюдений, исследователи использовали данные орбитальной рентгеновской обсерватории Chandra (NASA), проводившей глубокие рентгеновские наблюдения скоплений галактик в созвездии Персея и Девы – ближайших к нам самых ярких скоплений. «Подобные измерения – один из самых ярких примеров использования уникальных возможностей обсерватории Chandra, которая позволяет измерять флуктуации плотности вплоть до малых масштабов за счет высокого пространственного разрешения, не достижимого другими действующими рентгеновскими обсерваториями», – сказал ведущий научный сотрудник ИКИ РАН Алексей Вихлинин.

Грей, черная дыра!

Полученные данные позволили измерить амплитуду флуктуации плотности газа в широком диапазоне пространственных масштабов – говоря упрощенно, насколько сильно газ выведен из равновесия за счет движений. Это позволило измерить скорости движений газа и оценить темп его нагрева за счет диссипации.

«Оказывается, что энергии в турбулентности достаточно для того, чтобы сбалансировать потери газа на излучение в центральных областях скоплений галактик», – говорит профессор Оксфордского университета Александр Щекочихин.

Таким образом, полученные результаты подтверждают взаимное влияние черной дыры и газа, в результате которого сохраняется примерное равновесие между нагревом и остыванием газа.

«Мы имеем дело со сложной системой: остывающий газ питает черную дыру, которая в ответ надувает пузыри релятивистской плазмы, порождает турбулентные движения газа, энергия которых в конечном счете переходит в тепло и нагревает газ», – подводит итог исследования главный научный сотрудник ИКИ РАН, академик РАН Рашид Сюняев.

Подобное взаимное влияние черной дыры и газа может происходить и в других объектах, содержащих много горячего газа, например в группах галактик и отдельных массивных эллиптических галактиках.

Николай Городецкий


Источники:

  1. gazeta.ru


Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://12apr.su/ "12APR.SU: Библиотека по астрономии и космонавтике"