Каждый из нас видел сложные узоры, созданные молоком, наливаемым в кофе, или намного более гладкие, получаемые в результате растворения в чашке чая меда с чайной ложки. Какой из этих случаев лучше всего описывает поведение горячего газа в скоплениях галактик? Отвечая на этот вопрос, новое исследование с использованием рентгеновской обсерватории Чандра углубило знания астрономов о скоплениях галактик, самых больших структурах во Вселенной, удерживаемых вместе гравитацией.
Кластеры галактик состоят из трех основных элементов: одиночные галактики, газ раскаленный до нескольких миллионов градусов, который заполняет пространство между галактиками и темной материей, и сама таинственная форма материи, которая распространяется внутри кластера и составляет около 80% его массы.
Команда астрономов использовала Чандру для долгосрочных наблюдений, в общей сложности около двух недель, скопления галактик Кома (Волосы Вероники), чтобы изучить свойства газа в пространственных масштабах, сравнимых с типичным расстоянием, которое частицы проходят между столкновениями. Эти измерения помогли им узнать о вязкости - техническом определении сопротивления движению газовых масс по отношению друг к другу - горячего газа в Волосах Вероники.
«Наше открытие предполагает, что вязкость газа в скоплении ниже, чем ожидалось. Это означает, что турбулентность может легко развиться в горячем газе в скоплениях галактик с небольшим масштабом», - сказала Ирина Журавлева из Чикагского университета, которая проводила исследование.
Горячий газ в скоплении Волос Вероники испускает рентгеновские лучи, которые наблюдал телескоп Чандра. Известно, что газ имеет массу примерно в шесть раз больше, чем все галактики в скоплении вместе взятые. Несмотря на его изобилие, плотность горячего газа в скоплении, которая наблюдалась по радионаблюдениям, насыщена слабым магнитным полем и настолько мала, что молекулы не очень часто взаимодействуют друг с другом. Такой горячий газ низкой плотности не может быть изучен в лаборатории на Земле, поэтому ученые должны полагаться на космические лаборатории, такие как снабжаемые межгалактическим газом скопления галактик.
«Мы использовали Чандру, чтобы исследовать, является ли плотность газа гладкой в самых маленьких масштабах, которые мы можем обнаружить. Мы обнаружили, что это не тот случай, который предполагает, что турбулентность возникает даже в этих относительно небольших масштабах, а вязкость низкая», - сказал Евгений Чуразов, соавтор исследования из Института Макса Планка в Гархинге и Института космических исследований в Москве.
Чтобы сделать эти выводы, команда сфокусировалась на регионе, удаленном от центра скопления Волос Вероники, где плотность горячего газа даже ниже, чем в центре. Здесь молекулы должны перемещаться на большие расстояния - в среднем около 100 000 световых лет - чтобы взаимодействовать с другими молекулами. Это расстояние достаточно велико, чтобы проверить его с помощью Чандры.
«Возможно, одним из самых удивительных аспектов является то, что мы смогли изучать физику в масштабах, которые важны для взаимодействия между атомными молекулами на объекте, расположенном на расстоянии 320 миллионов световых лет. Такие наблюдения дают большие возможности использовать скопления галактик в качестве лабораторий для изучения основных свойств горячего газа», - сказал соавтор Александр Щекочихин из Оксфордского университета в Великобритании.
Почему вязкость горячего газа Волос такая низкая? Одним из объяснений является наличие небольших неровностей в магнитном поле кластера. Эти неровности могут отклонять частицы в горячем газе, который состоит из электрически заряженных частиц, в основном электронов и протонов. Эти отклонения уменьшают расстояние, на котором молекула может свободно перемещаться, и, следовательно, вязкость газа.
Знание вязкости газа в скоплении галактик и того, как легко развивается турбулентность, помогает ученым понять влияние важных явлений, таких как столкновения с другими скоплениями галактик и группами галактик. Турбулентность, создаваемая этими мощными событиями, может служить источником тепла, предотвращая охлаждение горячего газа в скоплениях, создавая миллиарды новых звезд.
Для этого исследования ученые выбрали скопление Волос Вероники, поскольку оно обладает наилучшим сочетанием требуемых физических свойств. Среднее расстояние между столкновениями частиц больше для газа с более высокими температурами и более низкими плотностями. Это скопление горячее, чем другие яркие кластеры галактик вокруг, и имеет относительно низкую плотность, в отличие от холодных и плотных ядер других ярких скоплений галактик, включая скопления в Персее и Деве. Это дает астрономам возможность использовать кластер в созвездии Волосы Вероники в качестве лаборатории для изучения физики плазмы.
Будущие прямые измерения скорости газа с использованием миссии «Рентгеновская визуализация и спектроскопия» (XRISM) предоставят более подробную информацию о динамике скопления, что позволит ученым провести тщательное исследование многих соседних скоплений галактик.
Подробнее:
http://chandra.harvard.edu/press/19_releases/press_061819.html
https://arxiv.org/abs/1906.06346
Источник: chandra.harvard.edu
