Археология в «Чайной чашке»: как в пузырях газа распознать столкновение галактик

Главная проблема астрономов в том, что на объекты их интереса можно только смотреть, ни пощупать, ни провести с ними эксперименты невозможно. В полной мере это относится и к другим галактикам, которые мы видим лишь со стороны. Но бывают случаи, когда результатам астрономических наблюдений могут позавидовать археологи — часто ли им удается увидеть следы событий, которые происходили сотни миллионов лет назад? Астроном Алексей Моисеев из Специальной астрофизической обсерватории РАН рассказывает, как он и его коллеги с помощью телескопа БТА смогли заглянуть в далекое прошлое квазара Тикап (Teacup, то есть «чайная чашка») — одного из ближайших к нашей Галактике.

Несмотря на относительную близость (всего 1,1 миллиарда световых лет, большинство известных галактик со столь мощными по энергетике ядрами находятся сильно дальше), квазар SDSS J143029.88+133912.0 был обнаружен лишь в 2008 году. И быстро привлек внимание ученых своей необычной структурой: на фоне вытянутого звездного тела галактики выделяется почти ровное кольцо — «ручка чашки».

Оказалось, что это кольцо — стенки пузыря, наполненного горячим ионизованным газом. Его диаметр около 11 килопарсек (35 тысяч световых лет), а надула его сверхмассивная черная дыра в ядре галактики.

Черная дыра захватывает окружающий ее газ, и в ходе этой трапезы вокруг нее формируется аккреционный диск. А вдоль оси этого диска возникает радиоджет — плазменный выброс частиц, которые ускоряются до околосветовых скоростей. Совместное действие радиоджета и излучения диска приводит к нагреванию газа галактики. 

Тикап оказался удобной естественной лабораторией для изучения процессов взаимодействия активного ядра и галактики. Ядро нагревает, ионизирует и выбрасывает из галактики газ, но его активность может прекратиться, если газ в окрестности черной дыры закончится. Эти процессы должны заметно влиять на эволюцию галактик, в том числе и в более ранней Вселенной — так что пузырь в «Чайной чашке» стал объектом внимательного рассмотрения с привлечением крупных наземных и космических телескопов.

В 2018 году наблюдения на крупнейшем в мире Большом канарском телескопе с 10,4-метровым составным зеркалом добавили новые штрихи к портрету галактики. Спектры, полученные с прибором OSIRIS, показали, что ионизованный активным ядром газ присутствует не только в области «ручки», но и на в пять раз большем расстоянии. Оказалось, что квазар окружен гигантской ионизованной туманностью, размер которой, писали авторы статьи, «близок к рекордному среди всех известных во Вселенной галактик». 

Действительно, поперечник туманности – около 300 тысяч световых лет, что в три раза больше диаметра Млечного Пути, отнюдь не маленькой галактики. И хотя за прошедшие годы были открыты туманности еще больше, чем Тикап, все они относятся к далеким галактикам ранней Вселенной. А «Чайная чашка» по космологическим масштабам — почти рядом с нами.

Но спектры канарского телескопа были получены всего в двух направлениях, поэтому оставалось неясным ни как выглядит эта туманность, ни как движется газ на таком расстоянии от ядра. 

Мы решили пронаблюдать «Чайную чашку» на 6-метровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН методом 3D-спектроскопии со сканирующим интерферометром Фабри-Перо в приборе SCORPIO-2 (об этой технике наблюдений в N + 1 уже писали). В результате нам удалось и построить карту распределения свечения в линии дважды ионизованного кислорода по «большой ручке», и измерить так называемое поле скоростей — скорости газовых облаков по лучу зрения.

Оказалось, туманность регулярно вращается вокруг галактики, но структурно состоит из двух частей – диска диаметром около 250 тысяч световых лет, внутри которого скрыт пузырь «ручка чашки», и двух внешних арок, частично повторяющих форму «ручки», но в значительно больших масштабах. Арки симметричны относительно ядра и находятся на одной линии и с центральным пузырем и с ядром галактики – точно вдоль радиоджета.

Анализ данных наблюдений показал, что внешние газовые арки также могли образоваться под действием активности ядра, но весьма давно – около 800 миллионов лет назад. Внутренний пузырь значительно моложе, его возраст по разным оценкам не больше 50 миллионов лет. 

Также, благодаря проведенным на 6-метровом телескопе спектральным наблюдениям, нам удалось определить, что звезды в центральной части галактики сильно моложе, чем на периферии — им в среднем около миллиарда лет против 7–9 миллиардов для остальной галактики. При этом вся гигантская туманность вращается под большим углом к звездному телу галактики. Возможно, даже перпендикулярно к нему. Эта особенность роднит «Чайную чашку» с галактиками с полярными кольцами (о которых мы уже рассказывали N + 1)— и указывает, что газ был захвачен галактикой с орбит, имеющих соответствующее направление вращения.

В нашей свежей статье мы показываем, что все найденные особенности строения галактики могут объясняться единым сценарием. Причиной образования этого странного объекта стало слияние галактики с массивным спутником около миллиарда лет назад. При этом сформировался газовый диск, наклоненный к звездному диску получившейся системы. Возможно, что он унаследовал направление вращения богатого газом спутника, слившегося с основной галактикой. В то же время, перераспределение углового момента вращения во внутренней области привело в тому, что часть газа скопилось в центре — это довольно частая ситуация при слиянии галактик. В плотном газе начинают формироваться новые звезды. Следы той вспышки звездообразования мы сейчас и наблюдаем, смотря на относительно молодое звездное население в ядре галактики. Одновременно газ стал поступать и в самый центр, к сверхмассивной черной дыре. В результате — «включилось» активное ядро, которое начало выдувать в диске пузыри, остатки которых мы и видим теперь как внешние арки ионизованного газа. А «ручка чашки» образовалась уже значительно позднее, возможно, при следующей вспышке активности ядра. 

Разумеется этот теоретический сценарий требует подтверждения численным моделированием взаимодействия галактик. Мы надеемся, что данные, полученные на 6-метровом российском и 10,4-метровом канарском телескопах помогут выбрать оптимальную модель, лучшим образом описывающую картину, наблюдаемую в «Чайной чашке».