Астрономы объяснили происхождение «лепестков» гигантских радиогалактик

Во время моей работы в Калтехе в качестве научного сотрудника я проводил большую часть времени в радиообсерватории долины Оуэнс, восточная Калифорния. Там я использовал массив телескопов для изучения высокоинтенсивного синхротронного излучения, исходящего от квазаров и сверхгигантских галактик.

Синхротронное излучение - это электромагнитное излучение, которое испускается, когда заряженные частицы ускоряются до релятивистских скоростей. Изучение этого излучения, вырывающегося из лепестков гигантских галактик, позволяет получить данные, которые используются в моделях, имитирующих возникновение космоса.

В поисках лепестков галактики

Спустя десятилетия, прошедших со времени моих первых наблюдений, исследователи продолжают углубляться в энергоемкие особенности галактик.

Гигантские радиогалактики (ГРГ) - это космические структуры, порожденные отдельными звездными скоплениями. Они характеризуются активными ядрами, выбрасывающими струи синхротронного излучения.

ГРГ обычно выбрасывают два джета в противоположных (180°) друг от друга направлениях . Струи либо постепенно затухают, либо заканчиваются огромными, диффузными, горячими "лепестками".

Образующиеся горячие газовые лепестки излучают на низкочастотных радиоволнах. На рисунке 1 показана типичная ГРГ с широко раскрытыми лепестками.

Радиоастрономы открыли ГРГ 75 лет назад. С тех пор они многое узнали об их характерных особенностях и интенсивных событиях синхротронного излучения, которые порождают джеты и лепестки.

Однако базовый вопрос так и остался без ответа: являются ли характеристики галактики-хозяйки причиной образования огромных далеких лепестков горячего диффузного газа? являются ли они характеристиками межгалактической среды в окрестностях ГРГ, или это комбинация того и другого?

Чтобы ответить на этот вопрос и понять его космологические последствия, группа из 12 астрономов под руководством Мартина Оэя провела исчерпывающее исследование крупнейших ГРГ.

Команда Оэя переработала второй и последний выпуск данных двухметрового обзора неба с низкочастотной решеткой (LOFAR). Они вычитали компактные радиоисточники и улучшили качество изображения диффузных, слабых источников излучения. В результате было получено "самое чувствительное на сегодняшний день исследование лепестков радиогалактик.

Что показывает Алкионей

Одним из результатов исследования Оэя и его коллег стало открытие самой большой из известных ГРГ, которую они назвали Alcyoneus. В греческой мифологии Алкионей - великан, который сражался с Гераклом.

Проектируемая собственная длина (длина с точки зрения Земли) Алкионея составляет 4,99 ± 0,04 мегапарсек (16,3 миллиона световых лет). Истинная длина составляет, как минимум, 5,04 мегапарсека (16,4 миллиона световых лет).

На рисунке 2 показан звездный компонент галактики (маленькая яркая точка в центре изображения), два жета, исходящие с противоположных сторон звездного компонента (струя справа ярче, чем струя слева), и два гигантских лепестка.

На рисунке 3 показана построенная мною масштабная карта семи крупнейших галактик, входящих в Местную группу: Галактика Андромеды, галактика Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака, галактика Треугольник, а также две большие карликовые галактики, M32 и NGC 205, которые сопровождают галактику Андромеды.

Помимо этих семи галактик, Местная группа содержит более сотни небольших карликовых галактик.

На рисунке 4 оказан размер Алкионея по сравнению с расстоянием, разделяющим галактики Андромеды и Млечный Путь.

Каким бы гигантским ни был Алrионей, он все же меньше своих сородичей. Прародителем двух огромных лепестков является эллиптическая галактика на расстоянии 2,933 миллиарда световых лет от Земли, звездная масса 240 миллиардов солнечных масс, и сверхмассивная черная дыра в ее ядре с массой 400 миллионов солнечных масс.

Хотя эти массы значительно превышают Млечный Путь, с его 54 миллиардами солнечных масс, и массу сверхмассивной черной дыры, равную 4 миллионам солнечных масс, они занимают лишь 25-й и 23-й процентили, среди гигантских радиогалактик.

Кинетическая энергия двух джетов Алкионея немного ниже средней для известной популяции ГРГ, что удивило астрономов. Тем не менее, два лепестка галактики обладают рекордными объемами - 1,5 (северный лепесток) и 1,0 (южный лепесток) миллион кубических парсек (52 и 35 миллионов кубических световых лет).

Оэй и его коллеги рассчитали эквипаратное давление для двух лепестков в 4,9 x 10-16 паскалей и эквипаратную напряженность магнитного поля в 46 пикотесла. Для сравнения, давление воздуха у поверхности Земли = 101 на 325 паскалей, а средняя напряженность магнитного поля равна 0,000045 тесла.

Алкионей -солиднее. Лепестки продолжают расширяться. Команда измерила скорость расширения, и она составляет около 1% от скорости света.

Учитывая, что диаметр северного лепестка =4,57 миллиона световых лет, его возраст достигает 2,28 миллиона лет.

Среди 151 исследуемых ГРГ Алкионей имеет, безусловно, самое низкое давление в лепестках. Оно настолько мало, что сравнимо с давлением теплой межгалактической среды.

Открытие и изучение радиогалактики показывает, что ни чрезвычайно массивные звездные системы, ни сверхмассивные черные дыры не являются необходимым условием для роста «лепестков» низкочастотного радиоизлучения.

Скорее, объяснение огромных лепестков заключается в том, что галактика находится в низкоплотной части межгалактической среды.

Подтверждение теории Большого взрыва

Для обнаружения Алкионея потребовался кропотливый анализ данных второго выпуска программы LOFAR.

Более чувствительные низкочастотные исследования могут обнаружить гораздо больше ГРГ с такими же или большими галактическими лепестками. Будущие открытия дадут астрономам мощный барометр для картирования свойств межгалактической среды. Такая возможность позволит создать более подробную модель космического пространства.

Уже сейчас измерения, проведенные командой Оэя, показывают, что растущие знания о гигантских радиогалактиках и межгалактической среде больше согласуются с ΛCDM-моделью, в которой темная энергия, Λ, является основным компонентом Вселенной, а холодная темная материя, CDM, - вторым по значимости элементом пространства-времени.