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.

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.

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.

«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