Движение газа в скоплении галактик Центавра ставит под сомнение предположения о звездообразовании

NGC 4696, галактика в скоплении галактик Центавра, в 170 миллионах световых лет от Земли. Автор: NASA/ESA.

Кокоро Хосоги, студентка факультета физики в Университете Алабамы в Хантсвилле (UAH), удостоилась редкой чести для студентки: ее вклад отмечен в исследовании, опубликованном в журнале Nature. Недавно исследователь поддержала миссию X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), изучающую небесные рентгеновские объекты, чтобы помочь пролить свет на то, почему газ в ядре скопления галактик Центавр, расположенного примерно в 170 миллионах световых лет от нас, не генерирует молодые новые звезды так быстро, как предсказывалось, — открытие, имеющее важные последствия для эволюции скоплений галактик.

XRISM — это передовой рентгеновский телескоп, совместное предприятие NASA, Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и Европейского космического агентства (ESA), запущенное в сентябре 2023 года. Инициатива сосредоточена на области космоса, известной как Внутрикластерная среда, или ICM. Это область горячей диффузной плазмы, которая заполняет пространство между галактиками внутри скопления галактик, состоящая из ионизированного водорода, гелия, тяжелых элементов и электронов, обнаруживаемая по ее сильному рентгеновскому излучению из-за ее высокой температуры.

«В скоплениях галактик есть старая проблема», — объясняет доктор Мин Сан, профессор физики и астрономии в UAH, который является наставником Хосоги, а также единственным ученым из штата Алабама, принявшим участие в сотрудничестве XRISM. И Хосоги, и доктор Сан являются соавторами статьи в Nature. «Ядро многих скоплений очень яркое в рентгеновских лучах, поэтому вы ожидаете, что со временем там должно быть много газа, охлаждающегося для образования звезд, но вы видите там мало молодых звезд».

Это явление известно в астрономии как «проблема охлаждающего потока» и относится к несоответствию между прогнозируемой скоростью, с которой должен охлаждаться горячий газ в центре скоплений галактик, и гораздо более низкой наблюдаемой скоростью звездообразования в этих регионах, что позволяет предположить, что большая часть охлаждающегося газа на самом деле не образует звезды.

Предполагается, что это расхождение обусловлено механизмами обратной связи от активных ядер галактик (АЯГ) — очень яркой, компактной области в центре галактики, питаемой сверхмассивной черной дырой, которая активно аккрецирует вещество, которое, в свою очередь, повторно нагревает газ, не давая ему слишком быстро остывать.

Однако в случае скопления Центавра «новое исследование показывает, что центральное плотное рентгеновское ядро не стоит на месте», отмечает Сан. «Вместо этого оно может двигаться или «плескаться» вокруг дна гравитационной потенциальной ямы. Это плескающееся движение предотвращает чрезмерное накопление охлажденного газа в центре. Оно также может перераспределять энергию, впрыскиваемую центральным AGN, и привносить тепловую энергию из окружающего ICM».

«Ключевой прорыв произошел благодаря новому инструменту на XRISM под названием Resolve, который обеспечивает рентгеновскую спектроскопию высокого разрешения для выявления объемного движения горячего газа, которое ранее было совершенно неизвестно, а также турбулентного движения горячего газа».

Добавление еще одного плеча к колесу

«Объемное движение» относится к крупномасштабным, организованным потокам газа внутри кластера, в первую очередь вызванным гравитационными силами или крупномасштабными процессами, такими как слияния. Напротив, турбулентное движение характеризуется хаотичными, нерегулярными и мелкомасштабными движениями, такими как вихри внутри газа, часто вызванными нестабильностями и рассеиванием энергии.

Исследование кластера включало сбор наблюдательных данных, собранных с помощью инструмента Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), который установлен на Очень Большом Телескопе (VLT), эксплуатируемом Европейской Южной Обсерваторией. Данные предоставляют детальное спектроскопическое изображение, захватывающее как интенсивность света, так и информацию о длине волны в широком поле зрения, что позволяет астрономам изучать химический состав и динамику далеких астрономических объектов с высоким пространственным разрешением в оптическом диапазоне.

«Как приглашенный ученый в коллаборации XRISM, я могу привлечь студента или постдокторанта», — говорит Сан. «У Кокоро почти идеальный средний балл, и она также развила способность решать проблемы и отлаживать их, не прибегая к помощи более старших членов. Важно, чтобы студенты развивали эту черту, чтобы обрести уверенность».

«Для проекта Centaurus Кокоро обработал данные VLT/MUSE, а я провел дополнительный анализ данных MUSE, чтобы получить важную информацию, особенно о скорости центральной галактики, которая имеет решающее значение для ограничения объемного движения горячего газа, обнаруженного XRISM, а также информацию о скорости теплого ионизированного газа», — добавляет Сан.

«За ее вклад я попросил включить Кокоро в статью. Она должна была пройти через руководящую группу XRISM, но была одобрена. Да, это редкая возможность, но она внесла важный вклад в проект».

«Я получаю степень бакалавра по физике со специализацией в астрономии и астрофизике по программе сертификации Data Science в UAH», — говорит Хосоги, который сейчас работает научным сотрудником под руководством доктора Сана. «Мой интерес — гравитационные волны, массивы пульсаров, космология, черные дыры и галактики».

Хосоги, родом из Японии, решила учиться в UAH по рекомендации выпускницы UAH Сакурако Кубы, которая также родом из Японии. Она начала работать с Sun в 2023 году в качестве студентки программы Research and Creative Experience for Undergraduates (RCEU) и с тех пор продолжила свою работу в качестве оплачиваемого специалиста по работе со студентами в группе Sun. Она окончила обучение в декабре 2024 года и в настоящее время подает заявку в аспирантуру по астрономии.

«Эти крупные проекты могут включать множество фрагментов подробных работ, поэтому люди с разным опытом и на разных уровнях карьеры могут внести свой вклад», — говорит Сан. «Может быть полезно вовлекать студентов бакалавриата в передовые исследования».

«Эти крупные проекты могут включать множество частей подробных работ, поэтому люди с разным опытом и на разных уровнях карьеры могут внести свой вклад», — говорит Сан. «Может быть полезно вовлекать студентов бакалавриата в передовые исследования».

Больше информации: Kokoro Hosogi et al, The bulk motion of gas in the core of the Centaurus galaxy cluster, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08561-z

Источник: University of Alabama in Huntsville