Космическая рентгеновская обсерватория Чандра открыла огромные полости, созданные самым сильным в наблюдаемой Вселенной извержением энергии в далеком скоплении галактик. Если это гипер-извержение связано с активностью сверхмассивной черной дыры в центре скопления, то теории о росте массы таких дыр требуют пересмотра.

Рис.1 Слева: рентгеновское изображение обсерватории Чандра показывает две темные полости (каждая по 200 килопарсек в диаметре). Контуры показывают радио-изофоты VLA (Very Large Array) на частоте 1.4 ГГц. Справа: то же скопление MS 0735 в видимом (красном) свете с теми же радио-изофотами. Яркость радиоизлучения максимальна в центре, где расположена гигантская галактика, затем падает по закону r-1/4 и снова увеличивается как раз внутри полостей, так как они заполнены горячим замагниченным газом и нетепловыми ультрарелятивистскими электронами.

Давно известны сотни горячих пузырей (по-английски bubbles) в межзвездной среде галактик с размерами в несколько парсек. Они являются или остатками сверхновых, или образованы истекающими молодыми массивными звездами. Открыты и более значительные пузыри - superbubbles - с размерами в сотни парсек. Они могут быть образованы и скоплениями молодых массивных звезд, и цепочками десятка последовательных сверхновых, а возможно и гиперновыми.

В свежем номере Nature от 6 января 2005 г. в работе [1] (см. также astro-ph/0411553 ) опубликовано открытие небывало огромных гиперпузырей в скоплении галактик MS 0735.6+7421 (для краткости MS 0735), размеры которых в сотни тысяч раз превосходят размеры обычных остатков сверхновых. Энергия горячего газа внутри них соответствует взрыву десятка миллиардов сверхновых или гамма-всплесков!

Открытие было сделано в рентгеновском диапазоне на обсерватории Чандра. Наблюдения этого далекого скопления (для MS 0735 красное смещение z=0.22) проводились 1 декабря
2003 г. За 11 часов экспозиции было зарегистрировано 75 тыс. рентгеновских фотонов. На изображении в рентгене и в радио (см. рис. 1) видны гигантские полости (каждая по 200 килопарсек в поперечнике). Эти гипер-пузыри могли быть надуты извержением энергии около 6x10⁶¹ эрг! (Напомним, что типичный остаток сверхновой образуется при выделении энергии "всего" 10⁵¹ эрг).

Еще в 1930-е годы Ф.Цвикки обнаружил "вириальный парадокс" в скоплениях галактик: масса светящегося вещества галактик в 50 - 100 раз меньше гравитирующей массы (если верны законы тяготения Ньютона-Эйнштейна). Одним из главных открытий рентгеновской астрономии 20-го века было обнаружение горячего (несколько десятков млн. градусов Кельвина) газа в скоплениях. Оказалось, что все галактики "плавают" в горячем газе, масса которого на порядок больше массы всех светящихся звезд галактик. Именно этот газ, а не звезды, и представляет основную "барионную" массу во Вселенной, хотя и его недостаточно для объяснения вириального парадокса: масса горячего газа составляет всего 10 - 15% от гравитирующей массы скоплений, состоящих в основном из неведомой "темной материи" (повторим: если верны классические законы гравитации).

Считалось, что газ должен остывать и падать с темпом 10 - 1000 масс Солнца (M_o) в год в центральные области скоплений, где обычно находятся самые гигантские галактики. Однако никаких сгущений холодных облаков или молодых звезд там обнаружено не было. Оказывается, нечто подогревает газ, не давая ему полностью остывать. Наиболее вероятно, что подогрев газа производят релятивистские струи (джеты), выбрасываемые из окрестностей сверхмассивной черной дыры центральной галактики. Например, на рис. 2 показаны наблюдения скопления Персея (Abell 426) с того же телескопа Чандра. Больше всего такая картина похожа на магнитогидродинамические или звуковые волны, возбуждаемые центральным источником (как например, в знаменитой Крабовидной туманности с ее пульсаром).

Рис.2 Слева: рентгеновское изображение скопления Персея (Abell 426). Справа: то же с увеличенным контрастом.

В MS 0735 картина несколько другая: видна явно выделенная ось, на которой расположены пузыри, а на границе пузырей заметно повышение температуры на фронте мощной ударной волны (рис. 3). По-видимому, эти полости были надуты в ходе извержения энергии из центральной сверхмассивной черной дыры за 100 млн. лет. При этом в настоящее время не видно признаков бурной активности ядра в видимом свете или рентгене как у квазаров (джет светит только в радио, и его светимость в 100 тыс. раз меньше, чем нужно для надувания пузырей). Не исключено, что пузыри питаются механической энергией струй. Загадка состоит в том, что для производства энергии в модели с черной дырой необходимо падение (аккреция) вещества на нее, а извержение с наблюдаемой энергией достаточно для остановки охлаждения падающего газа, т.е. аккреции с темпом 200 M_o/год в течение нескольких млрд. лет!

Рис.3 Температурная карта центральных областей скопления MS 0735 (более красный цвет отвечает более высокой температуре). Контуры очерчивают пузыри в рентгеновском изображении. На вершинах пузырей температура повышается, что говорит об образовании ударных волн.

При стандартном предположении, что 10% Mc² пошло на надувание пузырей и на ударную волну, нужно около 3x10⁸M_o. А это уже почти такая же масса, что может покоиться в виде черной дыры в центре MS 0735 - там примерно 10⁹M_o, если исходить из корреляции массы черной дыры со светимостью центра ("балджа") галактики. Трудно представить, в рамках современных моделей, что всего за 10⁸ лет черная дыра поглотила так много материала, что выросла в полтора раза. Считается, что бурный рост возможен только в раннюю эпоху формирования черных дыр, пока их массы не так велики.

Как сказал один из авторов открытия Пол Нулсен (Paul Nulsen): "Этот новый результат столь же удивителен, сколь и захватывающ. Эта черная дыра обжирается, тогда как она должна была бы поститься." (По-английски игра слов: "This black hole is feasting, when it should be fasting.").

Итак, рентгеновская астрономия принесла еще одно значительное открытие, которое ставит новые задачи перед теоретиками, пытающимися объяснить эволюцию видимого и невидимого вещества во Вселенной, рождение и жизнь черных дыр и других возможных источников чудовищной энергии, в самых разных формах проявляющихся в активности центров галактик.

Источник новости:

1. B.R.McNamara, P.E.J.Nulsen, M.W.Wise, D.A.Rafferty, C.Carilli, C.L.Sarazin & E.L.Blanton The heating of gas in a galaxy cluster by X-ray cavities and large-scale shock fronts Nature 433, 45 - 47 (06 January 2005); doi:10.1038/nature03202