Радиоинтерферометр LOFAR и телескоп СРГ/eROSITA изучают впечатляющие следы активности сверхмассивной черной дыры сотни миллионов лет назад в близкой группе галактик.

Комбинируя радио- и рентгеновские изображения, астрофизики исследовали группу галактик, которая содержит необычайно богатую систему ярких в радиодиапазоне волокон, погруженных в атмосферу горячего газа, излучающего в рентгене. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Эти волокна изначально образовались в результате активности сверхмассивной черной дыры несколько сотен миллионов лет назад — примерно тогда, когда на Земле появились динозавры. Несмотря на свой почтенный возраст, волокна все еще имеют четкие границы и образуют поразительно сложную паутину из нитей и геометрических фигур, напоминающих структуры, образующиеся, когда в атмосфере поднимаются горячие клубы дыма. Отсутствие полного перемешивания между рентгеновской и радиоизлучающей плазмами, особенно интересно для развития физических моделей влияния сверхмассивных черных дыр на окружающую среду.

Массивные гало в нашей Вселенной, такие как гигантские эллиптические галактики, группы и скопления галактик, в основном состоят из темной материи, которая формирует их глубокие гравитационные «ямы». Однако небольшая часть их массы приходится на обычное вещество, то есть барионы, которые образуют горячую (10 или 100 миллионов градусов) газовую атмосферу, заполняющую потенциальную яму гало. Этот газ излучает в рентгеновском диапазоне и его изучают с помощью современных космических обсерваторий, таких как, например, Chandra (NASA), XMM-Newton (ESA) и «Спектр-РГ» (ГК «Роскосмос»).

В центральной части каждого гало плотность газа высока, и он может охлаждаться и конденсироваться, обеспечивая материал для образования новых звезд. Однако почему-то этого не происходит, и в центре гало доминируют старые звезды. Эта загадка привела к развитию теории о влиянии сверхмассивных черных дыр в центрах скоплений  на окружающую среду — так называемый механизм «обратной связи». Согласно этой теории, при остывании газа сверхмассивная черная дыра увеличивает темп аккреции и начинает выделять огромное количество механической энергии в виде струй плазмы. Эта энергия нагревает газ, предотвращая его дальнейшее охлаждение.

Существует множество аналитических и численных моделей, подтверждающих эту идею. Но из первых принципов трудно однозначно сказать, какие конкретные физические процессы ответственны за за нагрев относительно холодного газа в гало. Это могут быть волны, турбулентность, космические лучи, вязкость и т.п.

Чтобы ответить на эти вопросы, надо исследовать близкие скопления и группы галактик, причём желательно в разных диапазонах спектра, так как газ разной температуры излучает фотоны различных энергий.

NEST200047 — одна из близких группа галактик, примерно в 75 мегапарсек от нас (для сравнения, расстояние от Солнечной системы до центра нашей Галактики — всего 8 килопарсек). Это один из десятков тысяч подобных объектов, обнаруженных в каталогах галактик. Его наблюдали радиотелескопы наземного радиоинтерферометра LOFAR (сокращение от Low Frequency Array, создан Голландским радиоастрономическим институтом ASTRON) и космический телескоп СРГ/eROSITA в радио- и рентгеновских обзорах. Характерные длины волн этих телескопов различаются примерно в 5 миллиардов раз, и данные двух обсерваторий прекрасно дополняют друг друга.

Рентгеновские данные были получены в ходе двух обзоров всего неба обсерваторией СРГ. Эффективная экспозиция составила 645 секунд.

Изображения группы галактик NEST200047 в радио- (слева) и рентгеновском (справа) диапазонах, полученные соответственно радиоинтерферометром LOFAR на частоте 144 МГц и телескопом СРГ/eROSITA в диапазоне 0.5–2.3 кэВ. Размер сложных структур, видимых в радиодиапазоне, составляет более полутора миллионов световых лет. В центре группы расположена сверхмассивная черная дыра, окруженная атмосферой горячего газа, излучающего в рентгеновском диапазоне. Охлаждение этого газа приводит к аккреции вещества на черную дыру, которая, в свою очередь, надувает «пузыри» релятивистской плазмы, видимые в радиодиапазоне, и нагревает газ. В самом центре группы газ образует яркую полоску, перпендикулярную оттокам релятивистской плазмы, видимым в радиодиапазоне. На чуть больших масштабах пузыри релятивистской плазмы окружены газовыми оболочками. Изображения из статьи M.Brienza et al, 2021

Эти наблюдения подтверждают, что группа NEST200047 обладает горячей газовой атмосферой, излучающей рентгеновские лучи. В её центре находится гигантская эллиптическая галактика, ядро которой которой является ярким радиоисточником. Это типичные компоненты для группы галактик, в которой центральная черная дыра играет важную роль.

Но NEST200047 оказался совершенно особенной. Радиоизлучение исходит не только от центра, но и от богатой и сложной системы волокон, покрывающих область более 200 килопарсеков. В ней видны структуры, напоминающие вихревые кольца. Они похожи на те, что были ранее обнаружены в знаменитой галактике M87, но в десять раз больше. Радио- и рентгеновские изображения демонстрируют, что плазма, выброшенная сверхмассивной чёрной дырой, была деформирована сложными движениями в течение более ста миллионов лет, но за всё это время она не полностью перемешалась с окружающей тепловой плазмой скорее всего, из-за присутствия динамически важного магнитного поля.

В целом, NEST200047 представляет собой уникальный пример объекта, в котором можно проследить историю активности сверхмассивной черной дыры в течение сотен миллионов лет. Поднимающиеся пузыри релятивистской плазмы работают как гигантская ложка, «помешивающая» тепловую рентгеновскую плазму, не давая ей остывать.

Ассоциация структур разного масштаба с отдельными эпизодами активности сверхмассивной черной дыры на  протяжении сотен миллионов лет. Структуры большего размера «старше», чем более компактные и яркие детали, расположенные ближе к центру группы. Изображение из статьи M.Brienza et al, 2021

Исследование — результат совместной работы международной группы астрофизиков. В неё вошли сотрудники ИКИ РАН Е. Чуразов, И. Хабибуллин, Н. Лыскова, Р. Буренин и Р. Сюняев и Казанского федерального университета И. Бикмаев, а также университета Болоньи, INAF, Туринской обсерватории (Италия), Лейденской обсерватории, ASTRON (Нидерланды), Гамбургской обсерватории, Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия), университета Хердфордшира (Великобритания), IASF, DIAS, SRON, WPI, Парижской обсерватории (Франция), университета Родса (ЮАР).

Одна из станций наземного интерферометра LOFAR и орбитальная рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ». Изображения с) LOFAR / ASTRON и (с) АО «НПО имени Лавочкина»

***

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.

• Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев
• Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов
• Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Андреа Мерлони (Andrea Merloni)