Как исследуют ультрамощные инфракрасные галактики
В журнале Astrophysical Journal недавно появилась очень интересная статья о том, как космический рентгеновский телескоп последнего поколения NuSTAR изучил девять самых близких к Земле ультрамощных инфракрасных галактик, они же ULIRG.
Если просто взглянуть на электромагнитный спектр, то не очень понятно, почему именно рентгеновский телескоп, который следит за совсем другой частью спектра, должен исследовать галактики, само название которых требует использования ИК-телескопов. Чтобы разобраться в этом, надо немного пояснить про то, что такое ULIRG и что такое телескоп NuSTAR.
Давным-давно, году в 1984-м, астрофизики, работающие с данными космической обсерватории IRAS обнаружили новый класс объектов, которые были очень яркими в инфракрасном свете, но почти невидимы обычном видимом свете. Мощность источников была сравнима с квазаром, но разрешения телескопа было недостаточно, чтобы определить природу источника. Было непонятно: либо это действительно какой-то точечный объект, либо несколько близко расположенных источников, которые сливаются в один.
Позже астрофизики обнаружили еще более мощные источники инфракрасного излучения — HLIRG (гипермощные) и даже один ELIRG (экстремально мощный). Это было то время великих астрономических открытий, когда новые технологии только-только позволили делать снимки в совершенно недоступных ранее частях электромагнитного спектра. Астрономы сразу же начали видеть объекты, свойства которых были непонятны и которые трудно было отнести к какому-либо известному классу. Поэтому неудивительно, что за неимением других альтернатив ученым пришлось вводить множество новых групп объектов, каждая из которых получила собственное название.
Так появились LINERs (галактики с низким уровнем ионизации элементов), очень редкий класс объектов под названием FeLoBAL (квазары с необычными особенностями спектра поглощения), блазары (галактики, из которых вылетает релятивистский джет, направленный в сторону Земли), Сейфертовские галактики разных типов, уже упомянутые ULIRG’и и прочее, и прочее.
Со временем стала формироваться более цельная картина, в которой все эти объекты оказались объединены наличием так называемого активного ядра галактики (AGN — Active Galactic Nucleus). Это очень небольшая по размерам (сравнимая с расстоянием от Солнца до ближайшей звезды) область, в которой вещество падает на сверхмассивную черную дыру. При падении частицы вещества трутся друг о друга, и, нагреваясь, излучают в пространство немыслимое количество энергии, часто — в виде релятивистских струй плазмы, также называемых джетами.
И тогда все встает на свои места — все эти необычные источники — это просто те самые активные ядра галактик, которые мы видим в разных частях электромагнитного спектра, на различных расстояниях от нас и на разных стадиях эволюции. К тому же относительно Земли эти ядра ориентированы случайным образом, и от этого зависит то, как мы их видим.
Герои нашего сегодняшнего обзора, ULIRG’и, занимают в этом зоопарке объектов очень важное и интересное место. Дело в том, что огромную инфракрасную светимость таких галактик нельзя объяснить только излучением из активного ядра. Исследование наиболее близких сверхмощных инфракрасных галактик уверенно показывает, что большинство из них не просто обладают активным ядром, они еще и находятся в процессе столкновения.
В сталкивающихся галактиках возникают сложные динамические процессы взаимодействия пыли, газа, звезд и темной материи. Они приводят к увеличению выброса энергии из активного ядра, и в то же время — к взрывному (то есть очень быстрому, начавшемуся практически мгновенно) формированию новых звезд. Это очень странно, потому что в обычных галактиках, насколько мы знаем, эти процессы практически исключают друг друга. Активное ядро галактики за счет выбросов энергии разогревает галактический газ, а это, в свою очередь, ингибирует его самогравитацию и формирование протозвезд. Проще говоря, если в галактике есть активное ядро, то звезды в ней почти не образуются.
Девять самых близких ULIRG’ов уже не раз попадали в поле зрения оптических, инфракрасных (естественно), рентгеновских телескопов первых поколений, они достаточно хорошо изучены и мы знаем ответы на самые общие вопросы — что это вообще такое и каков механизм столь яркого излучения.
Однако список вопросов без ответов еще очень длинный. И среди них есть один особенно важный — какая часть инфракрасного излучения идет от молодых зарождающихся звезд, а какая — непосредственно от активного ядра галактики? От того, какова эта пропорция зависит понимание того, как формируются звезды в таких турбулентных средах.
К сожалению, угловое разрешение ИК-телескопов недостаточно для того, чтобы точно посчитать отдельно инфракрасный поток из ядра, и отдельно — из внешней части галактики. Но астрономы нашли обходной путь. Дело в том, что активное ядро галактики ярко светит в рентгеновской части спектра из-за обратного эффекта Комптона — увеличения частоты света при столкновении с электроном. В то же время время рентгеновское излучение от новых звезд мало и хорошо считается теоретическими моделями. Таким образом, общий рентгеновский поток прямо указывает на мощность активного ядра, и упрощенный алгоритм исследования выглядит таким образом:
Построить лучший в мире рентгеновский телескоп;
Отправить его наблюдать центральные части известных ULIRG’ов;
Построить математическую модель, ставящую в соответствие ренгтеновский и инфракрасный потоки от активного ядра;
Вычесть из полного инфракрасного потока тот, что идет из ядра;
перевести оставшийся поток, который приходится на новые звезды, в понятные величины вроде количества образовавшихся звезд в год
И вот тут на сцену выходит рентгеновский телескоп NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Он был запущен NASA в 2012-м году с двухлетней миссией и работает так успешно, что его работа была продлена еще на 2 года — до 2016-го. Предшественники NuSTAR’а — это космические рентгеновские обсерватории Chandra и XMM-Newton. Сравнивая возможности телескопов, можно сказать только, что угловое разрешение старичков (то есть какими должны быть угловые размеры объекта, чтобы он не сливался в точку) примерно равно углу обзора телескопа NuSTAR — разрешение повысилось в сотню раз! Это не говоря о том, что NuSTAR может наблюдать в области высоких энергий (12-79 кэВ), ранее недоступной для космических телескопов.
Теперь к результатам. Это удивительно, но не все ULIRG’и были хотя бы просто обнаружены телескопом NuSTAR (а они, на секундочку, самые яркие ИК-источники во Вселенной). Из девяти наблюдаемых объектов детектированы всего шесть. Давайте поближе познакомимся с самыми интересными из них:
Это две галактики на поздней стадии объединения — у них уже одно ядро на двоих. И детектируемый поток во времени меняет свою мощность. Что это значит? Сложно представить, что творится вблизи сверхмассивной черной дыры, если поток рентгеновского излучения скачет то вверх то вниз в несколько раз. И, кстати, это самый яркий рентгеновский источник в выборке, хотя он и находится в 605 миллионах световых лет от нас. Как оказалось, доля активного ядра галактики в общем ИК-потоке составляет около трех четвертых.
Здесь не удается различить даже следов от двух галактик — их ядра давно объединились и все, что намекает на давнее столкновение это «хвосты» газа и пыли, которые тянутся в разные стороны от ядра. Объект относится к Сейфертовским галактикам из-за характерных спектральных полос в оптической части спектра. Всего 17 процентов инфракрасного потока приходится на долю диска вокруг сверхмассивной черной дыры. Все остальное — это результат формирования новых звезд, что-то около 170 штук в год.
Mrk 273 (все галактики, имеющие буквенное обозначение Mrk были открыты советским астрономом Вениамином Егишевичем Маркаряном) — имеет сильное излучение в рентгене, он был замечен еще предыдущими обсерваториями. По современным представлениям, в этой галактике образуется около 160 новых звезд в год.
Это тоже переменный источник — измерения еще одного космического телескопа, Suzaku, указывают на то, что мощность инфракрасного излучения меняется более чем в четрые раза за несколько лет. Скорее всего это связано с изменением прозрачности вещества, окружающего черную дыру. Это в свою очередь влияет на эффективность обратного комптоновского рассеяния, которое, как мы писали выше, во многом ответственно за рентгеновское излучение, производимое активным ядром галактики.
Наконец, последний источник, обнаруженный в этом исследовании — это Arp 220. Эта один из самых популярных у астрофизиков ИК-объектов для исследования. Обнаружен он был в 1960 году и сразу же его записали в пекулярные (то есть необычные) галактики. Таким он оставался до конца 1980-х, пока к исследованиям объекта на приступил IRAS, одна из первых в истории космических инфракрасных обсерваторий.
Оказалось, что Arp 220 это две сталкивающиеся спиральные галактики. Они находятся всего в 220 миллионах световых лет от нас и являются ближайшим ULIRG-объектом из всех известных. По результатам авторов статьи, Стейси Тенг, Даниэля Стерна, Райана Хикокса и их коллег, вклад активного ядра галактики в общее ИК-излучение составляет всего 18.5 процентов. Остальное приходится на рождающиеся звезды. Кстати, на снимке Arp 220, полученном камерой телескопа Хаббла (она работает в ближнем ИК-диапазоне), можно рассмотреть ярко-белые узелки — это и есть центры образования звезд.
Таким образом, даже по этим четырем объектам видно, ULIRG’и бывают очень разными по своим свойствам и мы пока еще далеки от полного понимания всех тех процессов, которые в них происходят. Это особенно важно, если учитывать, что наблюдения последних лет указывают на то, что на больших красных смещениях (более чем 10 миллиардов лет назад) основное звездообразование шло именно в подобных галактиках. А значит, физика ULIRG'ов имеет прямое отношение к нашей галактике, которая начала формироваться как раз около 11 миллиардов лет назад.
Марат Мусин