Скопления галактик — это самые массивные объекты во Вселенной, удерживаемые вместе гравитацией. Они содержат до нескольких тысяч отдельных галактик и огромные резервуары перегретого газа, излучающего рентгеновские лучи. Масса этого горячего газа обычно примерно в пять раз превышает общую массу всех галактик в скоплениях. Помимо этих видимых компонентов, 80% массы скоплений галактик составляет тёмная материя.
Эти космические гиганты являются индикаторами не только для галактик, звёзд и чёрных дыр внутри них, но и для эволюции и роста Вселенной в целом.
Наблюдения NASA
Неудивительно, что рентгеновская обсерватория NASA Chandra наблюдала множество скоплений галактик за время своей работы. Рентгеновское зрение Chandra позволяет ей с исключительной чёткостью видеть огромные запасы горячего газа в скоплениях, температура которого достигает 100 миллионов градусов.
Сверхмассивные чёрные дыры
Во многих из этих скоплений галактик в центрах находятся сверхмассивные чёрные дыры, которые периодически извергаются мощными вспышками. Эти взрывы генерируют джеты, видимые в радиоволнах, которые раздувают пузыри, наполненные энергетическими частицами; эти пузыри переносят энергию в окружающий газ.
Изображения Chandra выявили множество других структур, сформированных во время этих вспышек чёрных дыр, включая крючки, кольца, дуги и крылья. Однако внешний вид сам по себе не говорит нам, что это за структуры и как они образовались.
Новая техника обработки изображений
Группа астрономов разработала новую технику обработки изображений для анализа рентгеновских данных, что позволило им идентифицировать особенности в газе скоплений галактик, как никогда раньше, классифицируя их по природе, а не только по внешнему виду.
До этой техники, которую они называют «X-arithmetic», учёные могли определять природу лишь некоторых особенностей и гораздо менее эффективным способом — путём изучения количества рентгеновской энергии, рассеянной на разных длинах волн.
Авторы применили X-arithmetic к 15 скоплениям галактик и группам галактик (они похожи на скопления галактик, но с меньшим количеством галактик-участников). Сравнивая результаты, полученные с помощью X-arithmetic, с компьютерным моделированием, исследователи получили новый инструмент, который поможет в понимании физических процессов внутри этих важных титанов Вселенной.
Результаты исследования
Статья, опубликованная в The Astrophysical Journal, рассматривает, как эти структуры выглядят в разных частях рентгеновского спектра. Разделив данные Chandra на рентгеновские лучи с более низкой и более высокой энергией и сравнив интенсивность каждой структуры в обоих случаях, исследователи смогли классифицировать их на три различных типа, которые они окрасили по-разному.
Розовым цветом обозначены звуковые волны и слабые ударные фронты, которые возникают из-за возмущений давления, распространяющихся со скоростью, близкой к скорости звука, сжимая горячий газ в тонкие слои. Пузыри, раздутые джетами, окрашены в жёлтый цвет, а охлаждающийся или более медленный газ — в синий.
Этот метод работает не только с наблюдениями Chandra (и другими рентгеновскими наблюдениями), но и с симуляциями скоплений галактик, предоставляя инструмент для объединения данных и теории.
Выводы
Изображения в этой новой коллекции показывают центральные области пяти скоплений галактик в выборке: MS 0735+7421, скопление Персея и M87 в скоплении Девы в верхнем ряду и Abell 2052 и Cygnus A в нижнем ряду. Все эти объекты ранее были опубликованы Центром рентгеновских данных Chandra, но впервые применена эта специальная техника.
Новая обработка подчёркивает важные различия между скоплениями галактик и группами галактик в исследовании. Скопления галактик в исследовании часто имеют большие области охлаждающегося или медленно движущегося газа вблизи своих центров, и только некоторые из них демонстрируют признаки ударных фронтов. Группы галактик, напротив, отличаются. Они демонстрируют множественные ударные фронты в своих центральных областях и меньшее количество охлаждающегося и медленно движущегося газа по сравнению с выборкой скоплений галактик.
Этот контраст между скоплениями галактик и группами галактик предполагает, что обратная связь чёрных дыр — то есть взаимозависимые отношения между вспышками из чёрной дыры и её окружением — в группах галактик проявляется сильнее. Это может быть связано с тем, что обратная связь в группах более интенсивна, чем в скоплениях, или с тем, что гравитация в группе слабее, чем в скоплении.
Остаётся ещё много открытых вопросов об этих вспышках чёрных дыр. Например, учёные хотели бы знать, сколько энергии они вкладывают в газ вокруг себя и как часто они происходят. Эти бурные события играют ключевую роль в регулировании охлаждения горячего газа и контроле формирования звёзд в скоплениях.
Предоставлено NASA.