Телескоп СРГ/еРОЗИТА обнаружил крупномасштабные пузыри горячего газа в гало Млечного Пути

9 Dec 2020

Структуры горячего газа с обеих стороны Галактического диска, четко видимые в рентгеновском обзоре всего неба, возникли, скорее всего, из-за ударных волн, вызванных мощнейшим всплеском активности центра нашей Галактики десятки миллионов лет назад.

Открытие опубликовано в журнале Nature 9 декабря 2020 г. Половина соавторов статьи — сотрудники российских научно-исследовательских институтов, члены научных групп телескопа СРГ/eРОЗИТА.

На первой карте обзора всего неба, созданной рентгеновским телескопом еРОЗИТА (eROSITA), одним из двух инструментов на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», астрономы обнаружили удивительную новую деталь: огромную округлую структуру ниже плоскости Млечного Пути, занимающую существенную часть Южного Неба.

Подобная структура на Северном Небе, так называемый Северный Полярный Шпур, известна со времен становления радиоастрономии и рентгеновской астрономии. Долгие годы считалось, что она возникла как следствие взрыва близкой к Солнцу сверхновой десятки или сотни тысяч лет назад. Но взятые вместе, северная и южная структуры на карте напоминают ореол в форме песочных часов, достаточно симметричный относительно центра Галактики, который отстоит от Солнца на расстояние в 25 тысяч световых лет (1 световой год — примерно 9.46 триллиона километров).

«Благодаря высокой чувствительности, хорошему спектральному и угловому разрешению и низкому фону, телескоп СРГ/еРОЗИТА, сканирующий все небо каждые шесть месяцев, стала уникальным инструментом для обнаружения и изучения объектов, размеры которых намного больше поля зрения телескопа и составляют значительную часть всего неба», — объясняет Михаэль Фрайберг (Michael Freyberg), ученый, работающий с данными телескопа СРГ/еРОЗИТА в Институте внеземной физики Общества им. Макса Планка (MPE, Германия).

Крупномасштабное рентгеновское излучение, наблюдаемое СРГ/еРОЗИТА в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, демонстрирует проявления этих гигантских пузырей с медленно меняющейся яркостью на большой части неба. Их угловые размеры сравнимы с размерами всей нашей Галактики Млечный Путь, что соответствует линейным размерам в десяток килопарсек, т.е. до 30 000 световых лет в поперечнике.

«Пузыри еРОЗИТЫ» имеют поразительное морфологическое сходство с хорошо известными «пузырями Ферми», но не совпадают с ними геометрически, а размеры последних заметно меньше. «Пузыри Ферми», были обнаружены годы назад гамма-обсерваторией «Ферми» (Fermi, NASA) на гораздо более высоких энергиях фотонов (гамма-излучение), в миллион раз более энергичных, чем рентгеновские фотоны, фиксируемые обсерваторией «Спектр-РГ».

Карта диффузного рентгеновского излучения в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА. Вклад точечных источников был удален. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al Наложение карт нашей Галактики, полученных телескопами СРГ/еРОЗИТА и «Ферми» (NASA). Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.
Карта диффузного рентгеновского излучения в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА. Вклад точечных источников был удален. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al Наложение карт нашей Галактики, полученных телескопами СРГ/еРОЗИТА и «Ферми» (NASA). Диффузное рентгеновское излучение, регистрируемое телескопом СРГ/еРОЗИТА (0.6–1 кэВ, обозначено оттенками голубого), окружает область более жесткого излучения (гигаэлектрон-вольты, обозначено красным), получившей название «пузыри Ферми». Сравнение этих карт указывает на тесную связь между пузырями Ферми и еРОЗИТы. Обращает на себя внимание и высокая яркость плоскости Галактики в гамма-лучах, что обусловлено наличием в ней межзвездного газа и космических лучей. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.

«Телескоп СРГ/еРОЗИТА завершает сейчас второе сканирование всего неба, увеличивая вдвое число рентгеновских фотонов, зарегистрированных в частности и от открытых ею «пузырей» — говорит академик Рашид Сюняев, научный руководитель орбитальной обсерватории «Спектр-РГ». — Нам предстоит громадная работа, ведь данные СРГ/еРОЗИТА позволяют выделить немало рентгеновских спектральных линий, излученных высокоионизованными ионами газа в различных областях «пузырей». Мы получили возможность исследовать обилие химических элементов, степень их ионизации, плотность и температуру излучающего газа во многих зонах пузырей, исследовать положение ударных волн и оценивать характерные времена, прошедшие со времени гигантской вспышки, породившей эти пузыри. Поражает, что пузыри еРОЗИТЫ и «Фeрми» разделены в пространстве и размеры пузырей еРОЗИТЫ заметно больше. Скорее всего, на их границе важнейшую роль играют магнитные поля, затрудняющие выход космических лучей за пределы пузырей "Ферми"».

Это открытие помогает понять циркуляцию вещества в Млечном Пути и вокруг него, а также в других галактиках, которые мы не можем наблюдать с такой степенью детализации из за громадного расстояния до них.

Большая часть обычной (т. н. барионной, от слова «барион» — семейство элементарных частиц, к которому относятся в том числе протоны и нейтроны) материи во Вселенной невидима для наших глаз. Все звезды и галактики, которые мы наблюдаем с помощью оптических телескопов, дают возможность увидеть менее 10 % от общего количества барионов. Ожидается, что огромные количества ненаблюдаемой барионной материи находятся в разреженных ореолах, окружающих галактики, словно коконы, а также в «нитях» (филаментах), соединяющих скопления галактик, как космическую паутину. Эти ореолы горячие, их температура составляет миллионы градусов, и поэтому они доступны для наблюдения в рентгеновском диапазоне длин волн.

Пузыри, которые «видит» телескоп СРГ/еРОЗИТА, являются «отражением» возмущений в этой оболочке горячего газа, которые были вызваны выбросом вещества вследствие активности сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, либо гигантской вспышкой звездообразования в газе центральной части Галактики.

«Размер пузырей и температура газа в них позволяют судить лишь о полной выделившейся энергии и, приблизительно, о временной шкале, — говорит академик Евгений Чуразов (ИКИ РАН), один из авторов статьи. — Но, чтобы однозначно выбрать одну из гипотез, этого недостаточно».

Иллюстрация возможного положения «пузырей еРОЗИТА» (EB, eROSITA bubbles, желтый цвет) и «пузырей Ферми» (FB, Fermi bubbles, розовый цвет) относительно Галактики и Солнечной системы. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al. Карта всего неба в рентгеновских лучах, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА в галактических координатах (плоскость Галактики горизонтально проходит через центр карты)
Иллюстрация возможного положения «пузырей еРОЗИТА» (EB, eROSITA bubbles, желтый цвет) и «пузырей Ферми» (FB, Fermi bubbles, розовый цвет) относительно Галактики и Солнечной системы. Приблизительные размеры структур, полученные в этом исследовании, указаны рядом со стрелками соответствующего цвета. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al. Карта всего неба в рентгеновских лучах, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА в галактических координатах (плоскость Галактики горизонтально проходит через центр карты). (c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)

Сейчас «наша» черная дыра проявляет себя как очень слабый рентгеновский и радиоисточник, время от времени слабо вспыхивающий в рентгеновских и инфракрасных лучах. Но она вполне могла быть весьма активной в прошлом. Мы знаем примеры такой активности из наблюдений сверхмассивных черных дыр в других галактиках.

В любом случае энергия, необходимая для формирования этих огромных пузырей, должна была быть очень большой — 1056 эрг. Это соответствует выделению энергии 100 000 сверхновых, что аналогично оценкам других вспышек в активных ядрах далеких галактик.

«Резкие границы этих пузырей, скорее всего, являются следами ударных волн, вызванных мощнейшим выбросом энергии из центра нашей Галактики в ее гало, — отмечает Петер Предель (Peter Predehl, MPE), один из двух ведущих авторов статьи. — Такое объяснение ранее предлагалось для пузырей "Ферми", а теперь, согласно данным телескопа СРГ/еРОЗИТА, полный объем и морфология этих структур стали очевидными». «"Шрамы", оставленные такими вспышками, долго «заживают» в таких ореолах» — добавляет Андреа Мерлони (Andrea Merloni, MPE), научный руководитель телескопа СРГ/еРОЗИТА.

«Многоцветная» рентгеновская карта неба, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА, содержит колоссальный объем информации о межзвездной среде Млечного Пути в целом, — говорит член-корреспондент РАН, один из создателей рентгеновской карты неба и соавтор статьи Марат Гильфанов (ИКИ РАН). — Видно, что излучение горячего и теплого газа приходит к нам со всех направлений, но его яркость в направлении Галактической плоскости сильно понижена из-за поглощения холодным веществом, расположенным в спиральных рукавах и в диске нашей Галактики. Наблюдаемую картину усложняет вклад излучения т. н. «Локального Пузыря», природа которого до сих пор не вполне понятна, и мы ожидаем, что СРГ/еРОЗИТА внесет свой вклад в разрешение и этой загадки».

***

Рентгеновский телескоп СРГ/еРОЗИТА был запущен в космос на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» 13 июля 2019 года. Большая эффективная площадь зеркал и детекторов и широкое поле зрения СРГ/еРОЗИТА предназначены для глубокого обзора всего неба в рентгеновских лучах. В течение шести месяцев (декабрь 2019 — июнь 2020) СРГ/еРОЗИТА выполнила первый обзор всего неба на энергиях 0,2-8 кэВ, значительно более глубокий, чем самый чувствительный до этого обзор всего неба рентгеновского телескопа ROSAT (Германия) в 1990 г. на энергиях 0,1–2,4 кэВ. Предварительный анализ карты звездного неба первого обзора всего неба телескопа СРГ/еРОЗИТА обнаружил более миллиона точечных рентгеновских источников и около 20 000 протяженных. Около 80 % точечных источников представляют собой далекие активные ядра галактик (АЯГ). В Млечном Пути СРГ/еРОЗИТА зафиксировала около 200 000 коронально активных звезд, включая около 150 звезд, вокруг которых расположены планеты (~ 10% всех известных за пределами поля Кеплера).

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

- Новости проекта «Спектр-РГ»

Дополнительная информация: 
  1. Detection of large-scale X-ray bubbles in the Milky Way halo P. Predehl, R. A. Sunyaev, W. Becker, H. Brunner, R. Burenin, A. Bykov, A. Cherepashchuk, N. Chugai, E. Churazov, V. Doroshenko, N. Eismont, M. Freyberg, M. Gilfanov, F. Haberl, I. Khabibullin, R. Krivonos, C. Maitra, P. Medvedev, A. Merloni, K. Nandra, V. Nazarov, M. Pavlinsky, G. Ponti, J. S. Sanders, M. Sasaki, S. Sazonov, A. W. Strong & J. Wilms
  2. 09.12.2020 eROSITA finds large-scale bubbles in the halo of the Milky Way Пресс-релиз Института внеземной физики Общества им. Макса Планка
  3. Сайт проекта «Спектр-РГ»