«Дымовые трубы» Млечного пути

27 Мар 2019

Международная группа астрофизиков с помощью данных рентгеновских телескопов обнаружила в нашей Галактике ранее не известные структуры, получившие условное название «дымовые трубы», или «дымоходы». Эти  «дымоходы» служат своего рода каналами, связывающими различные структуры внутри Млечного пути. По таким каналам вещество и энергия из центра Галактики попадают в ее гало, окружающее диск. Эта работа позволяет понять, какую роль играют центральные области Галактики в её формировании и взаимодействии с межгалактической средой.

Хотя сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики в последние десятилетия не проявляет большую активность, нельзя сказать, что эта область Млечного пути — спокойное и тихое место и была такой всегда. Здесь, в области радиусом примерно 150 парсек (около 600 световых лет, радиус же всего диска примерно в тысячу раз больше, около 15 килопарсек) и сейчас продолжается активное звездообразование: раз в тысячу лет взрываются сверхновые, а раз в несколько десятков тысяч лет приливными силами разрушаются звёзды, подошедшие слишком близко к черной дыре. В результате формируются потоки вещества и выделяется энергия. Куда они направляются потом?

Ответы на эти вопросы астрофизики начали получать сравнительно недавно. В 2010 году, наблюдая небо в гамма-лучах, ученые обнаружили так называемые «пузыри Ферми» — области повышенного излучения с обоих сторон галактического диска, размер которых сопоставим с размерами самой галактики (диаметр одного пузыря — примерно 4,5 тысячи парсек). Позже их следы нашли и в рентгеновском диапазоне длин волн.

Также были известны и гораздо более компактные структуры (поперечник порядка 15 парсек) — так называемые «биполярные выбросы», которые видны в рентгеновском и радиодиапазонах. Как и «пузыри Ферми», эти области симметричны относительно диска Галактики. Связь между этими двумя образованиями не ясна до конца, как и механизм их возникновения.

Область вблизи центра Галактики — Млечного пути в рентгеновских лучах, по данным обсерватории XMM-Newton. Изображение © MPE/ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019, Nature
Область вблизи центра Галактики — Млечного пути в рентгеновских лучах, по данным обсерватории XMM-Newton. Sgr A* — сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного пути. Плоскость Галактики проходит горизонтально (пунктирная линия). Размеры представленной области составляют примерно 300 на 500 парсек, для масштаба приведён отрезок размером 50 парсек. Области повышенной яркости, обозначенные пунктирным контуром, получили название северного и южного «дымоходов». Линиями сверху и снизу обозначены границы «пузырей Ферми». Изображение © MPE/ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019, Nature

В новом исследовании, которое провела международная группа учёных с участием сотрудников ИКИ РАН, использовались данные рентгеновской обсерватории XMM-Newton (Европейское космическое агентство). Обсерватория наблюдала область вблизи центра нашей Галактики на масштабах, «промежуточных» по отношению и к «пузырям Ферми», и к «биполярным выбросам».

На изображениях XMM-Newton ясно обозначились две области повышенной рентгеновской яркости, также расположенные с обеих сторон Галактического диска. По форме они скорее напоминают цилиндры, с высотой около 150 парсек и диаметром примерно 100 парсек, и поэтому получили неофициальное название «дымовые трубы», или «дымоходы». Их яркость и спектры примерно одинаковы, что указывает на общее происхождение, но при этом северный и южный «дымоходы» не полностью одинаковы, возможно, из-за асимметрии в распределении межзвёздной среды. 

Итак, можно говорить о своего рода «матрёшке», только галактических масштабов. Маленькие биполярные выбросы находятся внутри «дымоходов», а последние, в свою очередь, вложены или по крайней мере соприкасаются с гораздо более обширными «пузырями Ферми». Но можно ли говорить, что все три структуры явились результатом одного и того же процесса?

И компактные «выбросы», и более крупные «дымоходы», и гигантские пузыри Ферми явно связаны с центральной зоной Галактики, но полная энергия и время, необходимое для их формирования, сильно отличаются, и, следовательно, они могли образоваться в разные эпохи. Авторы статьи, опубликованной в журнале Nature, обсуждают два потенциальных источника энергии, питающей все эти структуры. Первый из них — сверхмассивная черная дыра Sgr A*, тяготение которой может разрушать звезды и приводить к мощным, но редким выбросам энергии. Второй вариант — менее мощное, но более постоянное энерговыделение, связанное с процессами звездообразования и взрывами сверхновых в центральной зоне Галактики.

«Пузыри Ферми во многом напоминают структуры, которые мы наблюдаем в скоплениях галактик, где роль сверхмассивных черных дыр несомненна, — говорит Евгений Чуразов, ведущий научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН и соавтор статьи. - Но свойства обнаруженных «дымоходов» позволяют рассматривать и гораздо более умеренный сценарий, когда энергетики сверхновых оказывается достаточно, чтобы на протяжении десятков миллионов лет подпитывать пузыри». 

В этом сценарии «дымоходы» являются долгоживущими структурами, по которым энергия из активной области центра Галактики переносится к пузырям Ферми. Подобные образования должны быть присущи и другим галактикам, подобным Млечному Пути. Разница только в уровне звездообразования, определяющем размер и другие свойства пузырей и «дымоходов». Это, конечно, не исключает и эпизодов активности сверхмассивных черных дыр, которые могут обеспечить сравнимую энергетику.

Сравнительные размеры структур в Галактике. Изображение © ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019; ESA/Gaia/DPAC (Milky Way map); CC BY-SA 3.0 IGO
Сравнительные размеры «Галактической матрёшки». Справа: расположение «пузырей Ферми» (диаметр около 15 000 световых лет) относительного диска Галактики. Слева: область вблизи Галактического центра в увеличенном масштабе. Синим показано расположение северного (высота порядка 500 световых лет) и южного «дымоходов», оранжевым — биполярных выбросов (высота около 50 световых лет) Изображение © ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019; ESA/Gaia/DPAC (Milky Way map); CC BY-SA 3.0 IGO
Дополнительная информация: 

G. Ponti, F. Hofmann, E. Churazov, M. R. Morris, F. Haberl, K. Nandra, R. Terrier, M. Clavel & A. Goldwurm, An X-ray chimney extending hundreds of parsecs above and below the Galactic Centre, Nature 567, 347–350 (2019)

20.03.2019 Giant chimneys vent X-rays_from Milky Way's core Пресс-релиз Европейского космического агентства