Скопление галактик Феникс запечатлено в момент экстремального охлаждения

Ядро скопления Феникс показано по всему электромагнитному спектру. Яркие фиолетовые цвета представляют рентгеновские лучи, производимые горячим газом, а пунктирные фиолетовые контуры показывают области, где этот горячий газ был вытолкнут радиоструями из сверхмассивной черной дыры. Сами радиоструи показаны красным цветом. Синие и желтые цвета представляют видимый свет, излучаемый холодным газом и звездами. Зеленые контуры показывают «теплый» газ, который находится в процессе охлаждения, что было недавно измерено в исследовании MIT с JWST. Автор: NASA

Ядро огромного скопления галактик, похоже, выбрасывает гораздо больше звезд, чем должно. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других мест обнаружили ключевой ингредиент внутри скопления, который объясняет обильное звездообразование в ядре.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые сообщают об использовании космического телескопа НАСА «Джеймс Уэбб» (JWST) для наблюдения за скоплением Феникс — обширным скоплением гравитационно связанных галактик, которые вращаются вокруг центральной массивной галактики на расстоянии около 5,8 миллиардов световых лет от Земли.

Это скопление является крупнейшим в своем роде, которое ученые наблюдали до сих пор. Учитывая его размер и предполагаемый возраст, Феникс должен быть тем, что астрономы называют «красным и мертвым» — давно покончив с любым звездообразованием, характерным для молодых галактик.

Но ранее астрономы обнаружили, что ядро скопления Феникс выглядит на удивление ярким, а центральная галактика, похоже, производит звезды с чрезвычайно высокой скоростью. Наблюдения породили загадку: как Феникс подпитывает столь быстрое звездообразование?

В более молодых галактиках «топливо» для создания звезд находится в форме чрезвычайно холодных и плотных облаков межзвездного газа. Для гораздо более старого скопления Феникс было неясно, могла ли центральная галактика претерпеть экстремальное охлаждение газа, которое потребовалось бы для объяснения ее звездообразования, или холодный газ мигрировал из других, более молодых галактик.

Теперь команда MIT получила гораздо более четкое представление о ядре скопления, используя далеко идущие возможности JWST по измерению инфракрасного диапазона. Впервые им удалось нанести на карту регионы внутри ядра, где есть карманы «теплого» газа. Астрономы ранее видели намеки как на очень горячий газ, так и на очень холодный газ, но ничего между ними.

Обнаружение теплого газа подтверждает, что скопление Феникс активно остывает и способно самостоятельно генерировать огромное количество звездного топлива.

«Впервые у нас есть полная картина горячей-теплой-холодной фазы в звездообразовании, которая на самом деле никогда не наблюдалась ни в одной галактике», — говорит ведущий автор исследования Майкл Риф, аспирант физического факультета Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Везде, куда мы можем смотреть, есть гало этого промежуточного газа».

«Теперь вопрос в том, почему именно эта система?» — добавляет соавтор Майкл Макдональд, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.

«Этот огромный всплеск звездообразования может быть тем, что происходит в какой-то момент в каждом скоплении, но мы видим, что это происходит только в одном скоплении. Другая возможность заключается в том, что в этой системе есть что-то необычное, и Феникс пошел по пути, по которому другие системы не идут. Это было бы интересно исследовать».

Горячий и холодный

Скопление Феникс было впервые обнаружено в 2010 году астрономами с помощью телескопа Южного полюса в Антарктиде. Скопление включает около 1000 галактик и находится в созвездии Феникс, в честь которого оно и названо.

Два года спустя Макдональд возглавил попытку сфокусироваться на Фениксе с помощью нескольких телескопов и обнаружил, что центральная галактика скопления была чрезвычайно яркой. Неожиданная светимость была вызвана пожарным шлангом звездообразования. Он и его коллеги подсчитали, что эта центральная галактика производила звезды с ошеломляющей скоростью около 1000 в год.

«До Феникса самое звездообразующее скопление галактик во Вселенной имело около 100 звезд в год, и даже это было исключением. Типичное число — около одной», — говорит Макдональд. «Феникс действительно смещен относительно остальной популяции».

С момента этого открытия ученые время от времени проверяли скопление в поисках подсказок, объясняющих аномально высокую звездную продукцию. Они наблюдали как карманы сверхгорячего газа, около 1 миллиона градусов по Фаренгейту, так и области чрезвычайно холодного газа, 10 кельвинов или 10 градусов выше абсолютного нуля.

Наличие очень горячего газа неудивительно: большинство массивных галактик, молодых и старых, содержат в своих ядрах черные дыры, которые испускают струи чрезвычайно энергичных частиц, которые могут непрерывно нагревать газ и пыль галактики на протяжении всей ее жизни. Только на ранних стадиях галактики часть этого газа с температурой в миллион градусов резко охлаждается до сверхнизких температур, которые затем могут образовывать звезды. Для центральной галактики скопления Феникс, которая должна была давно пройти стадию экстремального охлаждения, наличие сверххолодного газа представляло собой загадку.

«Возникал вопрос: откуда взялся этот холодный газ?» — говорит Макдональд.

«Не факт, что горячий газ когда-либо остынет, потому что может быть обратная связь от черной дыры или сверхновой. Итак, есть несколько жизнеспособных вариантов, самый простой из которых заключается в том, что этот холодный газ был выброшен в центр из других соседних галактик. Другой заключается в том, что этот газ каким-то образом напрямую охлаждается от горячего газа в ядре».

Неоновые вывески

В своем новом исследовании ученые исходили из ключевого предположения: если холодный газ, формирующий звезды в скоплении Феникс, поступает из центральной галактики, а не из окружающих галактик, то в центральной галактике должны быть не только очаги горячего и холодного газа, но и газ, находящийся в «теплой» промежуточной фазе.

Обнаружение такого промежуточного газа было бы равносильно обнаружению газа в условиях экстремального охлаждения, что послужило бы доказательством того, что ядро скопления действительно было источником холодного звездного топлива.

Следуя этим рассуждениям, команда попыталась обнаружить любой теплый газ в ядре Феникса. Они искали газ, который был где-то между 10 кельвинами и 1 миллионом кельвинов. Чтобы найти этот газ Златовласки в системе, которая находится в 5,8 миллиардах световых лет от нас, исследователи обратились к JWST, который способен вести наблюдения дальше и четче, чем любая обсерватория на сегодняшний день.

Команда использовала спектрометр среднего разрешения на приборе среднего инфракрасного диапазона (MIRI) JWST, который позволяет ученым картировать свет в инфракрасном спектре. В июле 2023 года команда сфокусировала инструмент на ядре Phoenix и собрала 12-часовые инфракрасные изображения.

Они искали определенную длину волны, которая излучается, когда газ — в частности, неоновый газ — претерпевает определенную потерю ионов. Этот переход происходит при температуре около 300 000 кельвинов или 540 000 градусов по Фаренгейту — температура, которая находится в «теплом» диапазоне, который исследователи стремились обнаружить и картировать.

Группа проанализировала изображения и нанесла на карту места, где в центральной галактике наблюдался теплый газ.

«Этот газ температурой 300 000 градусов похож на неоновую вывеску, которая светится на определенной длине волны света, и мы могли видеть его сгустки и нити по всему полю зрения», — говорит Риф. «Его можно было увидеть повсюду».

На основе объема теплого газа в ядре команда оценивает, что центральная галактика переживает огромную степень экстремального охлаждения и ежегодно генерирует количество ультрахолодного газа, равное массе примерно 20 000 солнц. Команда говорит, что при таком количестве звездного топлива весьма вероятно, что центральная галактика действительно генерирует собственную вспышку звездообразования, а не использует топливо из окружающих галактик.

«Я думаю, мы довольно хорошо понимаем, что происходит, с точки зрения того, что порождает все эти звезды», — говорит Макдональд. «Мы не понимаем, почему. Но эта новая работа открыла новый способ наблюдать эти системы и лучше их понимать».

Больше информации: Michael Reefe et al, Directly imaging the cooling flow in the Phoenix cluster, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08369-x

Источник: Massachusetts Institute of Technology