::: Как сверхмассивные черные дыры нагревают газ в ядрах скоплений галактик?

О турбулентном нагреве газа и его роли в проблеме «потоков охлаждения» в центрах скоплений галактик
26 октября 2014 в журнале Nature была опубликована статья, в которой измерены турбулентные движения газа в центрах скоплений галактик и показано, что их диссипация играет важную роль при передачи энергии от сверхмассивных черных дыр в горячий газ скоплений. Мы попросили прокомментировать эти результаты первого автора статьи, постдока Стэнфордского университета Ирину Журавлеву.
Скопления галактик, состоящие из сотен и тысяч галактик, горячего газа и темной материи, являются самыми массивными объектами во Вселенной. Потенциальная яма скоплений удерживает все три составляющие за счет гравитации. Наибольшая доля барионной массы (обычного вещества) приходится на разогретый до десятков и сотен миллионов градусов газ, который при таких температурах светит в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра.
Системы галактик
Астрофизик Анатолий Засов о скоростях движения галактик, невидимой массе и гравитационной линзе
Излучение возникает в основном за счет «тормозного» механизма, то есть при столкновении электронов с ионами в процессе их теплового движения в горячем газе. Тепловая энергия частиц конечна, поэтому естественно ожидать охлаждение газа из-за потерь энергии на излучение. К центрам скоплений плотность газа возрастает, а значит, возрастает частота столкновений и, как следствие, мощность рентгеновского излучения. Поэтому охлаждение газа в центральных областях происходит за достаточно короткое время, которое гораздо меньше возраста скоплений, что должно приводить к накоплению холодного газа с темпом 100–1000 солнечных масс в год и интенсивному звездообразованию. Однако наблюдения не обнаружили ни холодный газ нужной массы, ни интенсивное звездообразование. Это разногласие свидетельствовало о наличии источников нагрева газа, наиболее вероятными из которых являются сверхмассивные черные дыры в центрах скоплений. Ранее было показано, что черные дыры надувают пузыри релятивистской плазмы, передавая им значительную часть энергии. Более того, удалось показать, что механическая мощность пузырей сравнима с величиной потерь газа на охлаждение. Однако чтобы до конца убедиться, что именно черные дыры предотвращают катастрофическое охлаждение газа, необходимо понять, как именно энергия от пузырей переходит в тепло в газе. Кажется, что нам удалось найти ответ на этот вопрос.
Пузыри релятивистской плазмы, надуваемые черной дырой, начинают всплывать в атмосфере скоплений под действием силы Архимеда, теряя при этом большую часть своей энергии. Эта энергия идет на создание турбулентности вдоль следа и на возбуждение внутренних волн в газе, энергия которых в конечном счете диссипирует и переходит в тепло, нагревая газ вокруг.
Чтобы проверить эту гипотезу, необходимо измерить скорости турбулентных движений газа в центрах скоплений, что до сих пор не удавалось сделать, так как энергетическое разрешение рентгеновских обсерваторий недостаточно для прямых измерений скоростей движения газа по уширению линий и смещению их центральных энергий. Однако можно попытаться ограничить скорости, используя непрямые методы. Нам удалось связать амплитуду флуктуаций плотности горячего газа со скоростями движений газа. Ситуация очень схожа с волнами на поверхности океана, для которых есть простое соотношение: чем выше скорость воды, тем сильнее и выше волны на поверхности океана. Эту идею можно применить и для газа в скоплениях галактик: смещение газа из положения равновесия зависит от величины скорости газа. Но как эти смещения газа заметить? Теперь давайте возьмем емкость с белой краской, добавим в нее каплю красной краски и начнем все мешать. Мы увидим, что красная краска будет следовать за движениями в белой краске. Аналогично будут заметны и скорости движения газа в скоплениях, только вместо белой краски — горячий газ скоплений, а вместо красной — энтропия газа. Перемещенный газ сохраняет свою энтропию (перемещения медленные, дозвуковые), однако его плотность будет отличаться от плотности окружающего газа. В результате области повышенной плотности будут светить ярче в рентгене и проявляться как возмущение (флуктуация) на рентгеновских изображениях. Таким образом, чтобы измерить турбулентные движения в газе скоплений, нам нужно лишь измерить амплитуду флуктуаций плотности газа разного размера в скоплениях галактик.
Используя глубокие наблюдения двух ближайших и самых ярких скоплений галактик (в созвездиях Персея и Девы), сделанные рентгеновской обсерваторией Чандра, мы измерили амплитуды флуктуаций плотности горячего газа на разных пространственных масштабах. Наблюдения обсерватории Чандра уникальны для такого анализа, так как она имеет самое высокое пространственное разрешение в рентгеновском диапазоне на сегодняшний день, что позволяет измерять флуктуации самого малого размера. Умножая амплитуду флуктуаций на скорость звука в газе, мы получаем измерения скоростей движений газа на каждом пространственном масштабе. Имея эти измерения, легко посчитать темп нагрева газа за счет диссипации энергии в турбулентных движениях и сравнить его с темпом потери газа на излучение. Оказалось, что обе величины примерно равны в центрах скоплений галактик.
Таким образом, полученные результаты подтверждают взаимное влияние черной дыры и газа, в результате которого сохраняется примерное равновесие между нагревом и остыванием газа. Остывающий газ питает черную дыру, которая в ответ надувает пузыри релятивистской плазмы. Пузыри, расширяясь и всплывая, порождают турбулентные движения газа, энергия которых в конечном счете переходит в тепло и нагревает газ. Подобный механизм может осуществляться и в других объектах, богатых горячим газом, например в группах галактик и массивных эллиптических галактиках.
Ирина Журавлева
PhD, постдок института Кавли по астрофизики элементарных частиц и космологии (KIPAC) и Стэнфордского университета, США