Первая ударная волна сталкивающихся скоплений галактик перестала быть последней неизвестной

Ученым впервые удалось зафиксировать в наблюдениях теоретически предсказанные ударные волны на начальных стадиях столкновения скоплений галактик. При численном моделировании в таких случаях возникают возмущения, расходящихся в плоскости, перпендикулярной оси движения скоплений. Ранее были получены лишь неоднозначные свидетельства существования таких волн, а новое доказательство наконец-то делает известным весь перечень порождаемых сталкивающимися скоплениями ударных волн, пишут авторы в журнале Nature Astronomy.

Скопления галактик — это самые крупные гравитационно-связанные структуры во Вселенной. Они состоят из трех основных компонентов: протяженного облака разреженного и очень горячего газа из обычного вещества, гало из темной материи и собственно галактик. На протяжении миллиардов лет многие скопления сталкивались друг с другом и сливались. Эти процессы играют существенную роль в эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, так как превращают большую часть кинетической энергии столкновения газовых компонент в тепло.

Узнать детали динамики столкновений скоплений, а также подробности процесса формирования и тепловой истории можно путем наблюдения ударных волн на разных этапах сближения. Абсолютное большинство ударных волн обнаружены в случае уже находящихся на этапе слияния скоплений, в то время как знаний о непосредственно предшествовавших объединению возмущениях практически нет.

Помимо непосредственных наблюдений другим важным источником информации являются космологические симуляции. Так называются компьютерные программы, которые просчитывают движения большого количества частиц в объеме, сравнимом с масштабом однородности Вселенной, который в текущую эпоху составляет порядка сотен мегапарсек. В таких кодах учитываются физические процессы, такие как гравитация, звездообразование, расширение пространства и другие.

У ученых были ограниченные свидетельства о расходящихся ударных волнах, которые возникают перед столкновением в экваториальной плоскости, то есть перпендикулярно оси сближения. В частности, увеличение температуры по рентгеновским данным наблюдалось в слияниях A85, A115, A399-A401 и A399-A401, а в объекте CIZA J2242+5301 были отмечены искажения в эффекте Зельдовича — Сюняева. Однако некоторые из этих столкновений не лобовые, поэтому усиление яркости в рентгеновском диапазоне можно объяснить альтернативными явлениями, а в других случаях не наблюдается резкого изменения интенсивности, как должно быть в случае ударной волны.

В статье коллектива астрономов под руководством Лии Гу (Liyi Gu) из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) описывается первый случай однозначного наблюдения расходящейся экваториальной ударной волны у скоплений 1E 2216.0-0401 и 1E 2215.7-0404, находящихся на начальной стадии слияния. Объекты находятся на красном смещении 0,09, расстояние между ними составляет 640 килопарсек. В работе использовали данные орбитальных рентгеновских телескопов «Чандра», XMM-Newton и Suzaku.

Астрономам удалось найти клиновидную особенность в распределении рентгеновской интенсивности, которая острием направлена от оси столкновения в картинной плоскости. Край этой структуры резок на всем ее протяжении вплоть до кончика, расположенного в 450 килопарсек от оси, что говорит о резком падении плотности газа. Самая высокая температура также оказалась в области кончика — примерно 8,1 килоэлектронвольт (94 миллиона кельвин), что заметно выше, чем в центрах скоплений (4,7 и 5,4 килоэлектронвольт, то есть 54,5 и 62,6 миллиона кельвин соответственно). Менее выраженное горячее пятно наблюдается с противоположной стороны от оси.

Авторам не удалось найти других областей повышенной интенсивности свечения, что не позволяет объяснить наблюдения внутренним градиентом температуры. Данные о распределении температуры и поверхностной яркости позволили оценить давление, которое оказалось скачкообразно меняющимся на краю клиновидного образования. Эта характерная особенность ударной волны позволяет отличить ее от обычных движений газа. Проанализировав скорость движения газа, исследователи пришли к выводу, что этой волне не менее 250 миллионов лет, что гораздо больше оценок возраста осевых ударных волн в данной системе (50-10 миллионов лет).

Ученые отмечают, что открытие подтверждает ранее сделанные теоретические предположения о существовании отдельной фазы распространения ударных волн, предшествующей основному столкновению галактик. Авторы оценивают мощность потоков в видимой ударной волне на уровне 8,1×10⁴⁴ эрг в секунду, что примерно вдвое больше, чем суммарная рентгеновская светимость обоих скоплений.

Проведенные ранее численные моделирования указывали на возможность экваториальных волн распространяться дальше 3 мегапарсек, что больше, чем у других видов порожденных слияниями ударных волн. Высвобождения энергии таких возмущений вдали от центров скоплений могут приводить к эффективному нагреву газа во внешних областях оболочек и даже нетронутого вещества поодаль от скоплений, в котором сохраняется оставшееся после Большого взрыва соотношение химических элементов.

Недавно при помощи телескопа ALMA астрономам удалось увидеть древнейшее слияние галактик. В другой работе на основе рентгеновских данных астрономы смогли оценить вязкость межгалактической плазмы, которая оказалась на порядки ниже ожидаемой. Наблюдения в радиодиапазоне также приносят сюрпризы — оказалось, что межгалактические электроны ускорены неизвестным механизмом.

Тимур Кешелава