Астрономы описывают бурный выброс черной дыры
AstroNews.ru - 24 Декабря 2019 20:59:39
Миллиарды лет назад в центре скопления галактик на расстоянии 15 миллиардов световых лет черная дыра извергла струи плазмы. Когда плазма вылетела из черной дыры, она оттолкнула материал, создав две большие полости на 180 градусов друг от друга. Точно так же, как вы можете вычислить энергию удара астероида по размеру его кратера, сказал Майкл Кальзадилла, аспирант Института астрофизики и космических исследований МТИ Кавли (MKI), использовав размер этих полостей, чтобы вычислить мощность выброса черной дыры.
В недавней статье в Astrophysical Journal Letters Кальзадилла и его соавторы описывают вспышку в скоплении галактик SPT-CLJ0528-5300 (SPT-0528). Объединив объем и давление вытесненного газа с возрастом двух полостей, они смогли вычислить полную энергию выброса. При более чем 1054 джоулях энергии, что эквивалентно примерно 1038 ядерным бомбам, это самый мощный выброс, зарегистрированный в далеком скоплении галактик. Соавторами статьи являются научный сотрудник МКИ Мэтью Бейлисс и доцент кафедры физики Майкл Макдональд.
Вселенная усеяна скоплениями галактик, скоплениями сотен и даже тысяч галактик, пронизанных горячим газом и темной материей. В центре каждого скопления находится черная дыра, которая проходит через периоды питания, где она поглощает плазму из скопления, а затем периоды взрывного выброса, где она выбрасывает струи плазмы, как только она достигает своего наполнения. «Это крайний случай вспышки», - говорит Кальсадилья о наблюдении SPT-0528. Несмотря на то, что вспышка произошла миллиарды лет назад, еще до того, как наша Солнечная система сформировалась, потребовалось около 6,7 миллиардов лет, чтобы свет от скопления галактик прошел весь путь до Чандры, рентгеновской обсерватории НАСА, которая находится на орбите Земли.
Поскольку скопления галактик полны газа, ранние теории о них предсказывали, что по мере охлаждения газа в скоплениях будут наблюдаться высокие скорости звездообразования, для формирования которых нужен холодный газ. Однако эти скопления не такие как предсказывалось, и, как таковые, не производили новых звезд с ожидаемой скоростью. Что-то мешало газу полностью остыть. Виновниками стали сверхмассивные черные дыры, чьи вспышки плазмы удерживают газ в скоплениях галактик слишком теплым для быстрого звездообразования.
Зафиксированная вспышка в SPT-0528 имеет еще одну особенность, которая отличает ее от других вспышек черных дыр. Она слишком велика. Астрономы считают процесс охлаждения газа и выделения горячего газа из черных дыр равновесием, которое поддерживает температуру в скоплении галактик - которая колеблется около 18 миллионов градусов по Фаренгейту - стабильной. Это как термостат, - говорит Макдональд. Однако выброс в SPT-0528 не находится в равновесии.
По словам Кальзадиллы, если вы посмотрите, сколько энергии выделяется при охлаждении газа в черной дыре по сравнению с тем, сколько энергии содержится в выбросе, то выброс значительно мощнее. По аналогии - вспышка в SPT-0528 - это неисправный термостат. "Это как если бы вы охлаждали воздух на 2 градуса, а термостат реагировал и нагревал помещение до 100 градусов", - объясняет Макдональд.
Ранее в 2019 году Макдональд и его коллеги опубликовали статью, в которой рассматривался другой кластер галактик, который демонстрирует совершенно противоположное поведение по сравнению с SPT-0528. Вместо неоправданно сильного взрыва черная дыра в этом скоплении, получившая название Феникс, не способна удержать газ от охлаждения. В отличие от всех других известных скоплений галактик, Феникс полон молодых звездных питомников, что отличает его от большинства скоплений галактик.
"С этими двумя скоплениями галактик мы действительно смотрим на границы того, что возможно в двух крайних точках", - говорит Макдональд о SPT-0528 и Фениксе. Он и Кальзадилла также охарактеризуют нормальные скопления галактик, чтобы понять эволюцию скоплений галактик в течение времени. Для это Кальсадилья охарактеризует 100 скоплений галактик.
Причина для анализа такой большой коллекции скоплений галактик заключается в том, что каждое изображение телескопа охватывает скопления в определенный момент времени, в то время как их поведение меняется в течение времени. Эти снимки охватывают широкий диапазон расстояний и возрастов, что позволяет Кальзадилье исследовать, как изменяются свойства с течением времени. "Это временные шкалы, которые намного больше, чем человеческие временные шкалы или то, что мы можем наблюдать за свою жизнь", - объясняет Кальзадилья.
Это исследование похоже на исследование палеонтолога, пытающегося реконструировать эволюцию животного по редкой ископаемой летописи. Но вместо костей Кальзадилла изучает скопления галактик, начиная от SPT-0528 с его бурным выбросом плазмы на одном конце до Феникса с его быстрым охлаждением на другом. - Вы смотрите на разные снимки во времени, - говорит Кальзадилья. - Если вы создадите достаточно большие снимки каждого из этих скоплений, то сможете понять, как эволюционирует скопление галактик."