Поиск - новости науки и техники

Пузырь как двигатель. Вселенной Астрофизики приближаются к пониманию процессов эволюции галактик.

Чтобы наглядно представить процессы, происходящие в скоплениях галактик, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН член-корреспондент РАН Евгений Чуразов обратился к школьному опыту по физике. Помнится, мы крутили ручку некой машинки, заполненной водой, и приводили в движение жидкость. От нашей энергии она нагревалась, и мы измеряли ее температуру. Приблизительно так же ведет себя сверхмассивная черная дыра в центре скопления галактик: она надувает в газе пузыри релятивистской плазмы, энергия этих пузырей приводит в движение газ, и он нагревается. Астрофизики думают, что именно этот процесс в скоплениях галактик не дает газу остыть и превратиться в звезды. А исследовать это интересное явление, происходящее на расстоянии сотен миллионов световых лет от Земли, помогает рентгеновская астрономия.

– Атмосфера Земли не пропускает рентгеновское излучение, что, безусловно, хорошо для землян, но создает сложности для астрофизики, – рассказывает Евгений Чуразов. – Чтобы исследовать в рентгеновском диапазоне многочисленные объекты во Вселенной, например нейтронные звезды, белые карлики, черные дыры, газ в скоплениях галактик и т.д., научные обсерватории нужно запускать в космос. Это стало возможным, когда ракеты поднялись на высоту 40-50 километров, где плотность атмосферы уже мала. Так, в 1962 году был обнаружен первый рентгеновский источник вне Солнечной системы, получивший название Скорпион Х-1 (то есть рентгеновский источник номер 1 в созвездии Скорпиона). Вскоре было открыто рентгеновское излучение и от скоплений галактик. Чтобы светить в рентгеновском диапазоне, космические объекты должны быть разогреты до огромных температур – десятков и сотен миллионов градусов. Именно такую температуру имеет горячий газ, состоящий из водорода и гелия и заполняющий все пространство между галактиками. Исследуя его свойства, астрофизики сумели измерить характерную скорость движений в газе и оценить, какая энергия при этом выделяется.
Отдел астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН давно занимается рентгеновской астрономией. Еще в конце 1980-х годов на орбите заработала обсерватория “Рентген” на модуле “Квант” космической станции “Мир”. Одним из интереснейших результатов этих исследований стало открытие гамма-излучения от сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке (Р.Сюняев и др., 1987). Это была сверхновая типа “II”, которые рождаются в результате коллапса массивной звезды. Замечательно, что через 27 лет после этого (в 2014 году) с помощью обсерватории ИНТЕГРАЛ нам удалось впервые наблюдать гамма-излучение от распада радиоактивного изотопа кобальта-56 после вспышки сверхновой другого типа “Ia” – SN2014J в галактике М82 (рис. 1). Эти данные убедительно подтвердили теоретическую концепцию, что сверхновые типа “Ia” – это гигантские термоядерные взрывы белых карликов, сверхплотных остатков звезд.
– Какова цель ваших исследований сегодня?
– Один из вопросов, которым мы занимаемся уже более 10 лет, можно сформулировать так: почему не весь горячий газ, который есть в самых массивных галактиках и в их скоплениях, остывает и превращается в звезды? Что не дает ему остыть? Рентгеновская астрономия позволяет исследовать свойства этого газа в деталях. В частности, наблюдения навели нас на мысль, что потоки релятивистской плазмы от сверхмассивных черных дыр, взаимодействуя с газом, “размешивают” его и постепенно нагревают.
– Не об этом ли вы писали в вашей последней статье, недавно опубликованной в журнале Nature?
– Верно. Чтобы объяснить ее суть, приведу простой пример. Предположим, вы помешиваете ложкой воду в стакане. Вода приходит в движение, но вы этих движений не замечаете, разве что на поверхности. Затем представьте, что в стакан налили сначала кофе, потом молоко. Теперь вы наблюдаете движения жидкости, поскольку происходит смешивание слоев, их границы меняются – это видно невооруженным глазом. Именно такой подход и был использован в нашей работе, первым автором которой является выпускница Санкт-Петербургского госуниверситета, ныне постдок Стэнфордского университета (США) Ирина Журавлева. Пока мы не в состоянии напрямую измерить скорости движения газа, но можем наблюдать флуктуации границ слоев газа с разной плотностью (рис. 2), оценить характерные скорости движений, понять, как газ нагревается. Чтобы, как в школьном опыте, увидеть, как возникшая энергия превращается в тепло. Измерив эти скорости, мы получили ответ на главный вопрос: активность сверхмассивных черных дыр поддерживает “нужный” уровень движений газа и подогревают его, не давая ему остыть (рис. 3). Подобный процесс, видимо, и ограничивает превращение всего газа в звезды. Без этого в нашей Вселенной галактики могли бы вырасти до гигантских размеров.
– Как была принята статья? Есть ли отклики?
– Да, отклики есть, и самые разные. Главное, что в течение ближайших нескольких лет (после запуска японской обсерватории ASTRO-H) мы сможем напрямую измерить скорости газа и проверить предсказания этой теории. А пока нас ждут горячие обсуждения и споры. Замечу, что колоссальный объем новой информации о скоплениях галактик мы ожидаем получить и от обсерватории Спектр-Рентген-Гамма (совместный проект России и Германии, который планируется осуществить в 2016 году). Обсерватория должна обнаружить более 100 тысяч скоплений галактик – фактически все массивные скопления в наблюдаемой Вселенной. Эта информация открывает путь к важнейшим исследованиям в области космологии, пониманию природы темной энергии и темной материи. Этим, конечно, задачи обсерватории не ограничиваются: за первые четыре года работы она должна провести обзор неба с рекордной чувствительностью и открыть миллионы активных сверхмассивных черных дыр, сотни тысяч рентгеновских источников в нашей Галактике.
– Почему это важно?
– С точки зрения физиков и астрофизиков, Вселенная – это “бесплатная лаборатория”, в которой можно наблюдать и проверять действие законов физики при экстремальных энергиях, температурах, давлениях и плотностях. В земных условиях наши возможности часто ограничены, поэтому ответы можно искать в разнообразных экстремальных объектах во Вселенной. Конечно, понимание того, с какой скоростью идет расширение Вселенной, как происходит эволюция галактик и сверхмассивных черных дыр, как устроена темная материя и темная энергия, сразу не повлияет на нашу жизнь. Это фундаментальное знание позволяет построить более полную картину мира и экстраполировать предсказания для явлений, которые не наблюдаются напрямую. Но со временем можно будет говорить и о практическом применении наших исследований.

Беседовал Юрий ДРИЗЕ
Иллюстрации предоставлены Е.Чуразовым

Нет комментариев