Межгалактические электроны оказались ускорены неизвестным механизмом

Govoni et al. / Science, 2019

Астрономы зафиксировали радиоизлучение в пространстве между двумя сближающимися скоплениями галактик. Результаты численного моделирования указали на присутствие магнитных полей и разогнанных до высоких скоростей частиц в этом промежутке, размер которого превышает масштаб самих скоплений, считающихся в стандартной теории самыми большими гравитационно связанными структурами во Вселенной. Для объяснения полученных данных необходима новая идея, которая будет описывать механизм ускорения частиц в межгалактическом газе, пишут авторы в журнале Science.

Материя распределена во Вселенной не совсем равномерно, а в виде «космической паутины» — трехмерной сети, состоящей из нитей (филаментов), вдоль которых сконцентрирована масса, и пустот (войдов) между ними. На пересечении филаментов находятся скопления галактик — самые крупные связанные структуры во Вселенной.

Скопления галактик растут за счет притяжения и поглощения падающих скоплений массы меньшего размера. В течение этого процесса вещество погружается в гравитационную яму скопления, а потенциальная энергия взаимодействия превращается в кинетическую энергию движения. Большая часть этой кинетической энергии после объединения уходит на нагревание газа. Считается, что оставшаяся часть превращается в турбулентные движения газа, а также расходуется на генерацию магнитных полей или ускорение частиц до высоких энергий.

Во многих случаях в радиодиапазоне в центре скоплений и на их окраинах видны протяженные источники — радиогало и радиоостатки. Их излучение порождается синхротронным механизмом; для него необходимо наличие высокоэнергетических (движущихся с околосветовыми скоростями, релятивистских) частиц и магнитных полей, параметры которых можно оценить из наблюдений. Магнитные поля повсеместны в скоплениях галактик, в то время как радиогало и радиоостатки, как правило, есть только у сливающихся. Это говорит о том, что необходимо сильное возмущение, которое ускорит частицы достаточно для появления синхротронного излучения.

Астрономы под руководством Федерики Говони (Federica Govoni) из итальянской Астрономической обсерватории в Кальяри исследовали промежуток между сближающимися скоплениями галактик Abell 0399 и Abell 0401 при помощи сети радиотелескопов LOFAR. Данные скопления находятся на начальной стадии взаимодействия, между ними еще как минимум 3 мегапарсека, поэтому данная ситуация интересна в контексте поиска магнитных полей и релятивистских частиц, заполняющих область пространства, превышающую размер скоплений галактик.

Авторам удалось выделить синхротронное свечение между скоплениями, которое указывает на превращение части энергии приближающегося слияния в нетепловое излучение, скорее всего, посредством ударных волн и турбулентных движений. Оценки плотности газа (3 × 10-4 см-3) и величины магнитного поля (менее одного микрогаусса) показывают, что время, за которое релятивистские электроны потеряют энергию, в таких условиях составляет порядка 230 миллионов лет. За это время они могут пролететь не более 0,1 мегапарсека, что исключает возможность их попадания в промежуток из самих скоплений и говорит о локальном механизме ускорения.

Авторы создали две численные гидродинамические модели для проверки своих оценок. Первая модель, в которой электроны ускорялись только в процессе сближения скоплений, не смогла воспроизвести наблюдаемую интенсивность излучения. Вторая модель, предполагавшая, что промежуток заполнен горячими электронами, которые заново ускоряются ударными волнами, смогла воспроизвести данные эксперимента. Тем не менее, для соответствия данным лоренц-фактор электронов должен быть более 103, а сами они должны заполнять все пространство промежутка. В таком случае они также должны были растерять всю энергию примерно за миллиард лет. Какое явление ускоряло электронный газ задолго до сближения скоплений, остается неизвестным.

Ранее астрономы при помощи телескопа VLT обнаружили крупнейшее древнее прото-сверхскопление галактик. Другой группе ученых удалось построить самую подробную карту движения галактик в Местном сверхскоплении.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.