«Спектр-РГ» исследует скопление галактик Кома в рентгеновском и радиодиапазоне

Теория ускорения частиц предсказывает появление синхротронного излучения релятивистких электронов на фронте ударных волн, и такое излучение действительно было открыто в этом скоплении еще в конце 70-х годов. Однако степень сжатия горячего газа ударной волны оказывается слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемый спектр. Возможно, что яркая радиогалактика NGC4789 в своем движении пересекла ударную волну, оставив позади «хвост» релятивистских электронов и филаментов с сильным магнитным полем и сделав возможным эффективное ускорение частиц. Обсуждение этого механизма приведено в статье, принятой к публикации в журнале Astronomy&Astrophysics.

Скопления галактик — чрезвычайно динамические системы. Их масса увеличивается со временем за счет поглощения менее массивных скоплений и групп галактик. Когда масса поглощаемой группы превышает десять процентов от массы скопления, процесс поглощения сопровождается впечатляющими явлениями в рентгеновском и радиодиапазонах.

Замечательную иллюстрацию такого события можно увидеть на изображении скопления галактик Кома (созвездие Волосы Вероники), составленного из лучших на сегодняшний день рентгеновских и радиокарт этого объекта.

Эти карты, построенные рентгеновским телескопом eROSITA космической обсерватории «Спектр-РГ» и наземным радиоинтерферометром LOFAR, показывают один и тот же участок неба на длинах волн, отличающихся в миллиард раз — от 10 ангстрем (одна миллиардная часть метра) до 2 метров. Благодаря этому физические процессы в сливающихся скоплений можно исследовать совершенно независимыми методами.

В рентгеновском диапазоне мы видим излучение горячего газа (излучение электронов при столкновении с ионами, преимущественно с протонами) с температурой в десятки и сотни миллионов градусов, в то время как в радиодиапазоне излучение создается релятивистскими электронами с энергиями в десятки и сотни тысяч раз выше массы покоя электрона.

Общая картина слияния скопления Кома (на рисунке — яркое красное пятно в центре изображения) с группой галактик, известной как NGC4839 (красное пятно внизу справа от скопления Кома), уже подробно обсуждалась нами. Группа «влетела» в главное скопление несколько миллиардов лет назад, пересекла его по диагонали, затормозилась, развернулась, и сейчас начинает новый цикл падения на центр скопления. Эта модель предсказывает, что около группы NGC4839 должна находиться ударная волна, наподобие тех, что возникают впереди самолета, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Именно исследование этой ударной волны и стало центральной темой статьи, принятой в печать в журнале Аstronomy&Аstrophysics.

В рентгеновском диапазоне фронт ударной волны должен быть виден как резкий скачок поверхностной яркости, связанный со сжатием газа на фронте. И такой скачок действительно наблюдается, причем измерения параметров газа позволяют оценить скорость движения ударной волны, превышающую скорость звука примерно в два раза. Это значение согласуется с ожиданиями.

Действительно, скорость любых тел, падающих в гравитационную яму, не зависит от массы тела. Это продемонстрировал еще Галилей, бросая различные предметы с Пизанской башни. Применительно к скоплениям, это означает, что и скорости галактик или групп галактик, падающих на скопления, будут примерно такими, как и скорости протонов, определяющих скорость звука в горячем газе скоплений. Следовательно, не ожидается, что скорость ударной волны будет превышать скорость звука на порядок (то есть в 10 или более раз).

Тем не менее, сама фактическая скорость ударной волны очень велика — порядка нескольких тысяч километров в секунду. Для сравнения: скорость звука в атмосфере Земли составляет 343 м/сек или 1200 км/час, а сверхзвуковые самолеты летают со скоростями в несколько тысяч км/час. Велики и масштабы времени обсуждаемых проблем: от десятков и сотен миллионов до нескольких миллиардов лет.

Сильные ударные волны (такие как в остатках вспышек сверхновых в нашей Галактике) являются эффективными ускорителями заряженных частиц, порождающими излучение в широчайшем диапазоне электромагнитного спектра — от радиоволн до сверхвысоких энергий. 

На композитном изображении, которое совмещает рентгеновские и радиоданные, видно, что точно в том месте, где расположена ударная волна, есть и яркий диффузный источник радиоизлучения (яркая зеленая область около группы), открытый еще в 70-х годах прошлого века. Подобные структуры были найдены и в других скоплениях и получили название радиореликтов. Многие из них также ассоциированы с ударными волнами, вызванными слияниями двух скоплений.

Но во многих случаях предсказания теории ускорения частиц вступают в противоречие с измерениями степени сжатия газа на фронте этих волн из данных рентгеновских наблюдений — ожидаемые радиоспектры более крутые, чем наблюдаемые. Целый ряд различных моделей был предложен, чтобы объяснить это противоречие, включая эффекты проекции и сложную структуру волн, когда отдельные участки фронта волны имеют большую степень сжатия, чем другие. Другой проблемой является низкая эффективность ускорения частиц слабыми волнами. Всё это справедливо и для скопления Кома.

Одно из предположений состоит в том, что в процессе слияния группы NGC4839 с главным скоплением яркая радиогалактика (обозначение NGC 4789) приобрела скорость, превышающую скорость ударной волны, и опередила ее. В таком случае перед фронтом ударной волны должны присутствовать релятивистские частицы, произведенные сверхмассивной черной дырой радиогалактики NGC 4789.

Эффективность ускорения уже существующих частиц ударной волной достаточно высока, чтобы снять вторую из проблем. Кроме того, видимые волокна (филаменты) релятивистской плазмы, связанные с этой радиогалактикой, могут обеспечить быстрое распространение ускоренных частиц по всей области, которую они занимают. В результате ускорение частиц может происходить в одном месте, а наблюдать эти частицы можно в другом, где ускорение менее эффективно.

Именно эти два эффекта вместе позволяют объяснить кажущееся противоречие. Тем не менее, морфология рентгеновского и радиоизлучений гораздо более сложна, чем предсказывают простые модели — и это важный вопрос для дальнейших численных расчетов слияния скоплений и более глубоких наблюдений.

Об этих и других результатах, полученных с помощью телескопов eROSITA и ART-XC им. М. Н. Павлинского проекта «Спектр-РГ», будут рассказывать на Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра — 2022», которая откроется в ИКИ РАН 19 декабря 2022 г.

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.