Ученые впервые в истории показали взрыв ядра галактики

Новые наблюдения и повторный анализ необычного излучения газа в сверхскоплении Змееносца заставили ученых вернуться к изначально отвергнутой идее о рекордно мощной вспышке, порожденной сверхмассивной черной дырой. Согласно новым результатам, центральный объект самой крупной галактики скопления в прошлом произвел настолько интенсивный выброс, что он привел к изменению распределения газа на масштабе всего скопления, пишут авторы в The Astrophysical Journal.

Наиболее крупными гравитационно связанными структурами во Вселенной являются скопления и сверхскопления галактик. Такие образования состоят из крупной центральной галактики (как правило, это гигантская эллиптическая галактика) и множества более мелких галактик, которые все вместе погружены в огромное гало из горячего разреженного газа, хорошо видимого по рентгеновскому свечению.

Между газом скопления и входящими в него галактиками существуют связи. С одной стороны, окружающее вещество может постепенно смещаться к более плотным образованиям, увеличивая темп звездообразования и аккреции на центральные сверхмассивные черные дыры. С другой — в эпохи активности из галактических ядер бьют ультрарелятивистские струи, которые могут влиять на газ скопления, например, нагревать его.

Интересный случай в этом контексте представляет собой сверхскопление Змееносца — второе по яркости в рентгеновском диапазоне скопление галактик на небе. Распределение газа в центре этого скопления характеризуется вогнутым краем, на котором наблюдается резкий перепад плотности. Подобные детали известны у других скоплений, и они обычно интерпретируются как пузыри, созданные джетом из ядра центральной галактики.

Обнаружившие эту структуру в 2016 году по рентгеновским данным «Чандры» астрономы попытались описать результаты в предположении об активности ядра, но пришли к выводу, что это нереалистично. Авторы сделали такой вывод, так как величина и контраст этой границы говорили о суммарной энергии вспышки активного ядра галактики на уровне 5 × 1061 эрг, что в разы больше, чем у наиболее мощного однозначно зафиксированного подобного события.

По их оценкам, такое событие привело бы к исчезновению относительно более холодной внутренней части облака газа скопления. Поэтому авторы заключили, что данная особенность связана с гидродинамическими процессами, возникшими из-за прошлых слияний с другими скоплениями или отдельными галактиками.

Симона Джачинтуччи (Simona Giacintucci) из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США и ее коллеги из Австралии и США решили изучить сверхскопление Змееносца посредством дополнительных наблюдений и после анализа всех имеющихся данных пришли к выводу, что вогнутый край на рентгеновском изображении все же является границей пузыря, вызванного прошлой активностью ядра галактики. Это удалось доказать при помощи зарегистрированного синхротронного радиоизлучения электронов, которые могли остаться от бившего в эту область джета — так же, как и в других похожих, но менее масштабных случаях.

Помимо полученных ранее данных с «Чандры» специально для новой работы это сверхскопление наблюдал космический рентгеновский телескоп XMM-Newton, а также наземные радиообсерватории MWA в Австралии, GMRT в Индии и VLA в США. Оказалось, что низкочастотное радиоизлучение совпадает с вогнутым рентгеновским краем, заполняя всю противолежащую центру скопления область. Получается, что выброс из центральной галактики создал полость в газе скопления, но по рентгеновским данным видна лишь часть ее стенки.

Примерный возраст данной полости авторы оценивают как минимум в 240 миллионов лет, но затрудняются назвать более точное значение, так как наиболее надежный метод на основе экспоненциального завала спектральной интенсивности в радиодиапазоне оказался неприменим: обрыва не удалось обнаружить ни при каких использованных частотах от 74 до 1477 мегагерц. Скорее всего, это связано с большим размером области, из-за чего ее свечение складывается из множества отдельных областей с разным значением магнитного поля — ключевого параметра для синхротронного механизма генерации электромагнитных волн.

Однако астрономы отмечают и ряд проблем с такой интерпретацией наблюдений. Во-первых, ядро центральной галактики в данном случае весьма тускло, не проявляет никакой активности, а вокруг него нет явных следов джетов. Также непонятно, почему не видно никаких следов противоположного выброса, ведь обычно джеты активных ядер галактик возникают парами. Исследователи считают, что это может быть связано с меньшей плотностью окружающей среды, из-за чего вещество второго джета быстро расширилось и остыло. Более экзотическое предположение заключается в том, что наблюдаемая полость связана с активностью ядра не центральной галактики, а какой-то другой — возможно, лежащей на окраине скопления.

Новая работа также подтверждает примерную оценку суммарной энергии выброса в 5 × 1061 эрг, что все еще делает ее рекордной, несмотря на несколько недавних открытий подобных событий с экстремально большой энергией. Тем не менее, авторы отмечают, что эта величина получена при ряде недоказанных предположений, а окончательно судить об энергии можно будет только после наблюдения в рентгеновском диапазоне всего размера полости, а не только одного ее края. Также остается неизвестным время, за которое эта энергия выделилась. По-видимому, для ответов на эти вопросы придется ждать телескопов нового поколения, таких как Athena или AXIS.