Океанските вълни на черните дупки

Как космическите чудовища нагряват газа в галактичните купове.

Учени от Института за космически изследвания на РАН и техни чужди колеги изясниха как се нагряват най-масивните обекти във Вселената – галактичните купове.

Причина за това са предизвикваните от черните дупки турбулентни движения в центровете на галактичните клъстери.

Галактичните купове са най-масивните обекти във Вселената. Те се състоят от стотици и хиляди галактики, горещ газ и материя, които се задържат заедно в купа от гравитацията. Горещият газ, представляващ най-масивната барионна съставка на куповете, е нагрят до температура десетки и стотици милиони градуси и интензивно излъчва в рентгеновия диапазон (затова куповете са ярки източници на рентгеново лъчение).

Енергията, която отива за излъчването, се черпи от топлинната енергия на частиците газ, чийто резервоар е краен, затова с времето газът трябва да изстива.

В резултат в центровете на куповете, където времето за охлаждане (стотици милиони години) е много по-малко от възрастта на самите купове (милиарди години), трябва постепенно да се натрупва студен газ и като следствие интензивно да се образуват звезди.

Но наблюденията не потвърдили наличието на студен газ с предсказаната маса. Това означава, че в централните области на галактичните купове трябва да има източник на нагряване на газа.

Най-вероятни кандидати за тази роля се явяват гигантските черни дупки в центровете на галактичните купове с маса милиони и дори милиарди слънчеви маси. По-рано е установено, че механичната мощност на мехурите релативистка плазма, „надути“ от такава свръхмасивна черна дупка, е сравнима с величината на загубата на газ за охлаждане при рентгеново лъчение. Но оставало неясно как именно става нагряването на газа.

С „обиколни методи“

Отговор на въпроса, как се нагрява газът в ядрата на галактичните купове, бил получен от екип учени от руския ИКИ РАН, Станфордския университет, Института по астрофизика към обществото „Макс Планк“, Оксфордския университет и други институти.

Резултатите от изследването са публикувани в сп. Nature.

„Има няколко възможни механизми за предаване на енергия от свръхмасивните черни дупки към горещия газ в центровете на галактичните купове. Но досега не беше известно кой от тях се реализира“, казва първият автор на статията Ирина Журавлева от Станфордския университет.

„Ние показахме, че нагряването става от дисипацията на турбулентните движения на газа, които може да се измерят с помощта на статистически анализ на рентгеновите изображения на галактичните купове.“

Мехурите релативистка плазма, „надути“ от черната дупка, се разширяват и попадат в горещия газ на куповете. При това те възбуждат вътрешни вълни и турбулентност на газа, предавайки им голяма част от своята енергия, която в крайна сметка преминава в топлина.

Но за да се определи темпът на нагряването от турбулентността, е необходимо да се измери скоростта на движението на газа, което не е правено пряко поради недостатъчната спектрална резолюция на съществуващите рентгенови обсерватории.

Наложило се учените да действат с „обиколни“ методи. Екипът изследователи предложил метод за измерване на скоростта на турбулентните движения на газа.

„Успяхме да свържем амплитудата на флуктуациите на плътността със скоростта на движение на горещия газ в галактичните купове. Ситуацията много прилича на вълните на повърхността на океана – казва Евгений Чуразов от ИКИ РАН. – Колкото по-голяма е скоростта на водата, толкова са по-високи вълните на повърхността на океана. Аналогична връзка има и за газа в галактичните купове.“

За да приложат тази връзка на практика в реални наблюдения, изследователите използвали данните на орбиталната рентгенова обсерватория Chandra на НАСА, провеждаща дълбоки рентгенови наблюдения на галактични купове в съзвездията Персей и Дева – най-близките до нас и най-ярки купове.

„Подобни измервания са един от най-ярките примери за използване на уникалните възможности на обсерваторията Chandra, която позволява да се измерят флуктуациите на плътността до малки мащаби поради високата пространствена резолюция, недостижима за други действащи рентгенови обсерватории“, казва Алексей Вихлинин от ИКИ РАН.

Получените данни позволили да се измери амплитудата на флуктуациите на плътността на газа в широк диапазон в пространствени мащаби – казано просто, доколко силно газът е изваден от равновесие поради движенията. Това позволило да се измери скоростта на движение на газа и да се оцени темпът на неговото нагряване от дисипацията.

„Оказва се, че енергията в турбулентността е достатъчна, за да балансира загубите на газ за излъчването в централните области на галактичните купове“, казва проф. Александър Щекочихин от Оксфордския университет.

По такъв начин получените резултати потвърждават взаимното влияние на черните дупки и газа, в резултат на което се съхранява приблизително равновесие между нагряването и изстиването на газа.

„Имаме работа със сложна система – изстиващият газ захранва черната дупка, която в отговор надува мехури релативистка плазма, поражда турбулентно движение на газа, чиято енергия в крайна сметка преминава в топлина и нагрява газа“, заключава академик Рашид Сюняев от РАН.

Подобно взаимно влияние на черната дупка и газа може да протича и в други обекти, съдържащи много горещ газ, например в групи галактики и отделни масивни елиптични галактики.