Вчені розгадали, чому скупчення галактик залишаються гарячими

XRISM виявив, як розвиваються скупчення галактик — сильні злиття створюють турбулентність, не даючи гарячому газу охолонути. Це відкриття розгадує давню таємницю та відкриває новий погляд на історію космосу.

• Удосконалений рентгенівський спектрометр XRISM – використовуючи свої чудові можливості, XRISM вперше виявив коливальний рух гарячого газу в центрі скупчення Центавра.
• Перші прямі докази злиття скупчень. Спостережуваний рух газу підтверджує, що скупчення галактик ростуть через зіткнення та злиття.
• Розв’язування давньої таємниці – безпосередньо вимірюючи швидкість газу, вчені можуть краще зрозуміти механізм нагрівання, який десятиліттями спантеличив астрономів.

Скупчення галактик: космічні гіганти, сформовані гравітацією

Всесвіт формується під дією гравітації, яка тягне галактики — величезні колекції зірок і газу — у ще більші структури, які називаються скупченнями галактик. Ці кластери утримуються разом завдяки гравітаційному тяжінню темної матерії, і всередині них газ перегрівається до десятків мільйонів градусів. При таких екстремальних температурах газ випромінює потужне рентгенівське випромінювання. Астрономи давно підозрюють, що скупчення галактик ростуть через повторювані злиття та зіткнення, але прямі докази було складно отримати — досі. У новаторському дослідженні XRISM надав остаточний доказ цього процесу в центрі скупчення галактик.

Центральні області скупчень галактик є одними з найяскравіших джерел рентгенівського випромінювання у Всесвіті. Теоретично, коли це інтенсивне випромінювання виходить, навколишній газ повинен поступово охолоджуватися — процес, відомий як радіаційне охолодження. Проте спостереження показують, що газ залишається несподівано гарячим, що не відповідає очікуванням і змушує вчених шукати пояснення. Однією з можливостей є те, що рух газу відіграє певну роль у підтримці цих високих температур, але досі інструментам бракувало точності, щоб підтвердити цю ідею.

За допомогою XRISM міжнародна дослідницька група (XRISM Collaboration) точно виміряла рух гарячого газу в центрі скупчення галактик. Їхні висновки показують, що газ перебуває в русі, «хлюпаючи» туди-сюди у відповідь на минулі зіткнення та злиття з іншими кластерами. Ці коливання забезпечують перемішування газу, запобігаючи його охолодженню, як очікувалося, і підтримуючи високі температури кластера. Це відкриття є великим проривом у нашому розумінні формування галактик та еволюції кластерів. Зображуючи газову динаміку з безпрецедентною деталізацією, XRISM надав нові знання про те, як продовжують розвиватися найбільші структури Всесвіту.

Відстеження еволюції Всесвіту через космічні зіткнення

Як Всесвіт еволюціонував у свою нинішню структуру після Великого вибуху ? Це фундаментальне питання спонукало десятиліття астрономічних досліджень. Всесвіт наповнений величезними космічними структурами. Сонячна система — це сукупність планет і невеликих тіл Сонячної системи, що обертаються навколо Сонця, а галактика — це величезна сукупність зірок, зв’язаних гравітацією. Однак ці структури не існували від початку Всесвіту; вони поступово формувалися і зростали під впливом сили тяжіння, що діє на речовину. Жорстокі космічні події, такі як зіткнення та злиття небесних тіл, сформували наш нинішній Всесвіт.

Роль темної матерії та перегрітого газу

Найбільшими відомими структурами, утвореними в результаті цієї космічної еволюції, є скупчення галактик. Ці величезні конгломерації галактик утримуються разом потужним гравітаційним тяжінням темної матерії, невидимої та загадкової субстанції, яка становить більшу частину маси Всесвіту. Однак темна матерія та галактики самі по собі не є домінуючими компонентами цих кластерів — значна маса існує у вигляді газу, що складається з водню та гелію, що залишився після Великого вибуху.

Коли цей первісний газ потрапляє в скупчення галактик, величезна гравітаційна енергія перетворює його в перегрітий газ за температури в десятки мільйонів градусів. При таких екстремальних температурах газ випромінює рентгенівське випромінювання, що робить рентгенівські спостереження необхідними для вивчення еволюції та динаміки скупчень галактик. Маса цього гарячого газу значно більша, ніж маса самих галактик, а це означає, що для розуміння скупчень галактик необхідно зрозуміти цей високоенергетичний компонент.

Головоломка постійно гарячого газу

Одна з найбільших астрофізичних загадок полягає в тому, чому гарячий газ у центрі скупчення галактик не охолоджується з часом. Теоретично, газ повинен поступово втрачати енергію через рентгенівське випромінювання, охолоджуючись у процесі, відомому як радіаційне охолодження . Однак попередні спостереження показали, що, всупереч очікуванням, газ залишається постійно гарячим. Ця розбіжність свідчить про те, що працює невідомий нагрівальний механізм, який перешкоджає очікуваному охолодженню гарячого газу. Розгадка цієї таємниці має вирішальне значення для розуміння формування та еволюції найбільших структур Всесвіту.

З грудня 2023 року по січень 2024 року дослідницька група використовувала XRISM для спостереження за сусіднім скупченням галактик, скупченням Центавра, розташованим приблизно в 100 мільйонах світлових років від Землі. Метою було дослідити рух гарячого газу в ядрі скупчення галактик.

Спектроскопічний прорив: вимірювання руху газу за допомогою XRISM

Рентгенівський спектр центру скупчення, отриманий за допомогою Resolve, сучасного м’якого рентгенівського спектрометра на борту XRISM. Аналізуючи цей спектр, дослідницька група прагнула отримати глибше розуміння того, як газ рухається всередині кластера. Точні спектроскопічні вимірювання емісійних ліній — гострих, схожих на шипи необхідні для вивчення цього руху. Resolve досягає енергетичної роздільної здатності приблизно в 30 разів вище, ніж звичайні прилади, що робить його особливо вправним у вимірюванні швидкості газу з безпрецедентною точністю.

Спостереження показали, що гарячий газ у центрі скупчення Центавра тече до Землі зі швидкістю від 130 до 310 км/с. Вважається, що цей коливальний («хлюпаючий») рух перемішує навколишній гарячий газ, запобігаючи його охолодженню та підтримуючи високі температури, що спостерігаються в ядрі скупчення.

Зіткнення кластерів галактик та їх тривалі наслідки

Дослідницька група порівняла спостереження XRISM з чисельним моделюванням і прийшла до висновку, що минулі зіткнення та злиття кластерів є відповідальними за спостережуване розплескування гарячого газу. Цей механізм: скупчення Центавра зазнало численних взаємодій з меншими скупченнями, і гарячий газ у його ядрі все ще виливається через ці минулі зіткнення. Спостереження XRISM показують, що ці рухи перемішують газ, запобігаючи його охолодженню та підтримуючи високу центральну температуру скупчення.

Нова ера в розумінні космічної еволюції

Це дослідження показало рух газу в скупченні галактик з безпрецедентною точністю. Спостереження XRISM надають прямі докази того, як кластери розвиваються через зіткнення та злиття, пропонуючи важливу відсутню частину в нашому розумінні космічної історії. Захоплюючи швидкість гарячого газу в таких деталях, це дослідження знаменує великий крок вперед у наших знаннях про великомасштабну космічну еволюцію. Відкриття цих динамічних швидкостей газу не тільки поглиблює наше розуміння скупчень галактик, але й має потенціал для значного просування нашого розуміння формування та еволюції інших небесних тіл у Всесвіті.