Астрономы впервые измерили ударную волну от черной дыры в скоплении галактик

Квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Они возникают, когда сверхмассивная черная дыра активно поглощает окружающее вещество. Часть высвобождающейся энергии уходит в интенсивное излучение и мощные потоки газа. Такая обратная связь, как предполагают ученые, позволяет черной дыре влиять на эволюцию галактик и их скоплений.

Наблюдения за скоплением H1821+643

В новом исследовании астрономы использовали данные космической обсерватории XRISM, созданной Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) совместно с NASA и ESA. Объектом изучения стало скопление галактик H1821+643, которое мы видим таким, каким оно было примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это ближайшее известное скопление с центральным радиотихим квазаром — ярким источником излучения, питающимся за счет активного поглощения вещества черной дырой.

Спектрометр Resolve, установленный на борту XRISM, позволяет точно измерять скорость движения горячего газа, анализируя изменения в рентгеновском излучении. Ученые исследовали линии излучения высокоионизированного железа Fe XXV Heα — одного из самых ярких рентгеновских маркеров горячей плазмы.

Оказалось, что эти линии значительно шире, чем в других изученных скоплениях галактик. Разброс скоростей движения горячего газа достиг примерно 300 километров в секунду, тогда как в спокойных ядрах ближайших скоплений этот показатель обычно не превышает 160 километров в секунду. Это указывает на интенсивную турбулентность и хаотичные движения вещества.

Энергия на огромных расстояниях

Чтобы определить, где именно возникает сигнал, исследователи объединили данные XRISM с архивными наблюдениями рентгеновской обсерватории Chandra. Выяснилось, что более 90 процентов линий Fe XXV Heα возникают в области горячего газа на расстоянии от 65 до 326 тысяч световых лет от центра скопления. Это означает, что источник возмущений расположен далеко за пределами родной галактики квазара и распространяет свое влияние на межгалактическую среду всего скопления.

Наиболее вероятное объяснение — действие мощных ветров, формирующихся вблизи черной дыры. Эти ветры создают ударную волну, которая передает энергию окружающему газу. Хотя саму ударную волну обнаружить трудно — в горячей среде она быстро ослабевает, — вызванная ею турбулентность сохраняется гораздо дольше и оставляет заметный след в рентгеновском излучении.

Расчеты показали, что квазар передает окружающей среде от 1 до 10 процентов своей энергии. Это значительно больше, чем предполагали предыдущие оценки, где такая доля не превышала 0,01 процента. Полученные значения соответствуют современным моделям формирования и эволюции галактик.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Astronomy, впервые предоставили наблюдательные доказательства того, что активность сверхмассивных черных дыр может существенно влиять на эволюцию галактик и их скоплений. Это подтверждает ключевую роль таких космических «монстров» в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.