Разгадана космическая загадка, почему скопления галактик остаются горячими

Рентгеновский спектрометр космического телескопа XRISM впервые обнаружил колебательное движение горячего газа в центре скопления Центавра. Это первое прямое доказательство того, что скопления галактик растут в результате столкновений и слияний. Путем непосредственного измерения скорости газа ученые могут лучше понять механизм нагрева, который десятилетиями озадачивал астрономов.

Вселенная сформирована гравитацией, которая стягивает галактики — огромные скопления звезд и газа — в еще более крупные структуры, называемые скоплениями галактик. Эти скопления удерживаются вместе гравитационным притяжением темной материи, и внутри них газ перегрет до десятков миллионов градусов. При таких экстремальных температурах газ испускает мощное рентгеновское излучение. Астрономы давно подозревали, что скопления галактик растут за счет повторяющихся слияний и столкновений, но прямые доказательства было трудно получить. В исследовании, опубликованном в Nature, предоставлено окончательное доказательство этого процесса в сердце скопления галактик.

Вселенная заполнена огромными космическими структурами. Солнечная система представляет собой совокупность планет и малых тел Солнечной системы, вращающихся вокруг Солнца, в то время как галактика представляет собой огромное скопление звезд, связанных гравитацией. Однако эти структуры не существовали с самого начала Вселенной — они постепенно формировались и росли под влиянием гравитации, действующей на материю. А разные космические события, такие как столкновения и слияния небесных тел, и сформировали нашу нынешнюю Вселенную.

Крупнейшие известные структуры, сформированные в ходе космической эволюции, — это скопления галактик. Эти огромные конгломераты галактик удерживаются вместе мощным гравитационным притяжением темной материи, невидимой и загадочной субстанции, составляющей большую часть массы Вселенной. Однако темная материя и галактики сами по себе не являются доминирующими компонентами этих скоплений — значительная масса существует в виде газа, состоящего из водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва.

Когда этот первичный газ падает в скопление галактик, огромная гравитационная энергия преобразует его в перегретый газ при температурах в десятки миллионов градусов. При таких экстремальных температурах газ испускает рентгеновские лучи, что делает рентгеновские наблюдения необходимыми для изучения эволюции и динамики скоплений галактик. Масса этого горячего газа значительно больше массы самих галактик, а это означает, что для понимания скоплений галактик необходимо понимание этого высокоэнергетического компонента.

Но почему горячий газ в центре скопления галактик не остывает со временем? Теоретически, газ должен постепенно терять энергию через рентгеновское излучение, остывая в процессе, известном как радиационное охлаждение. Однако предыдущие наблюдения показали, что, вопреки ожиданиям, газ остается постоянно горячим. Это несоответствие предполагает, что работает неизвестный механизм нагрева, не позволяющий горячему газу остывать, как ожидалось. Разгадка этой тайны имеет решающее значение для понимания формирования и эволюции крупнейших структур Вселенной.

С декабря 2023 года по январь 2024 года исследовательская группа использовала XRISM для наблюдения за близлежащим скоплением галактик, скоплением Центавра, расположенным примерно в 100 миллионах световых лет от Земли. Целью было исследование движения горячего газа в ядре скопления галактик.

Анализируя рентгеновский спектр центра скопления, полученный с помощью Resolve, рентгеновского спектрометра на борту XRISM, исследовательская группа хотела получить более глубокое представление о том, как газ движется внутри скопления. 

Наблюдения показали, что горячий газ в центре скопления Центавра течет к Земле со скоростью от 130 до 310 км в секунду. Считается, что это колебательное («плещущееся») движение перемешивает окружающий горячий газ, не давая ему остыть и поддерживая высокие температуры, наблюдаемые в ядре скопления.

Исследовательская группа сравнила наблюдения XRISM с численным моделированием и пришла к выводу, что прошлые столкновения и слияния скоплений ответственны за наблюдаемое выплескивание горячего газа. Скопление Центавра претерпело множественные взаимодействия с более мелкими скоплениями, и горячий газ в его ядре все еще выплескивается из-за этих прошлых столкновений. Наблюдения XRISM показывают, что эти колебания поддерживают газ в состоянии перемешивания, не давая ему остывать, как ожидалось, и поддерживая высокие температуры скопления.

Это открытие представляет собой крупный прорыв в понимании формирования галактик и эволюции скоплений. Астрономы получили новые сведения о том, как продолжают развиваться крупнейшие структуры Вселенной.