Вимірювання швидкості гарячого газу в галактиці M82

Вперше астрономи безпосередньо виміряли швидкість надзвичайно гарячого газу, що викидається з ядра галактики M82, сусідньої галактики, що відзначається активною зореутворювальною діяльністю. Ці результати, опубліковані в журналі Nature, є важливим кроком у розумінні механізмів, що лежать в основі галактичних вітрів у галактиках з активним зореутворенням.

Спостереження вказують на те, що цей гарячий вітер є основним двигуном холодного галактичного вітру, який вже добре документований і простягається на великі відстані навколо галактики. Вимірювання стали можливими завдяки інструменту Resolve, спектрометру високої роздільної здатності, що працює з космічним телескопом XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission), спеціалізованим на спостереженні рентгенівського випромінювання.

Теоретичні моделі прогнозують, що в галактиках з активним зореутворенням, таких як M82, енергія, що вивільняється внаслідок масивного зореутворення та супервибухів, сильно нагріває центральний міжзоряний газ. Цей газ, нагрітий до екстремальних температур, піддається сильному термічному тиску, що виштовхує його назовні у формі галактичного вітру. До цього часу відсутність безпосередніх вимірювань швидкостей гарячого газу ускладнювала перевірку цих моделей. Дані XRISM тепер демонструють, що ці швидкості перевищують деякі прогнози і достатні для того, щоб газ міг покинути гравітаційний потенціал галактики.

Галактика M82, відома також як «галактика сигари» через свою витягнуту форму, розташована приблизно за 12 мільйонів світлових років від Землі в сузір'ї Великої Ведмедиці. Вона формує зірки в середньому в десять разів швидше, ніж Чумацький Шлях, що робить її ідеальною лабораторією для вивчення процесів взаємодії між зореутворенням та міжзоряним середовищем.

Крім того, галактика славиться своїм холодним вітром, що складається з газу та пилу, який простягається на майже 40 000 світлових років. Цей вітер спостерігали кілька космічних телескопів, зокрема Hubble, Chandra, Spitzer та Webb, щоб краще зрозуміти зв'язок між центральною зореутворювальною активністю та викидом матерії на великі відстані.

Одним із важливих аспектів цих досліджень є роль космічних променів, заряджених частинок, що рухаються з релятивістськими швидкостями. Прискорені тими ж насильницькими явищами, що й галактичні вітри, вони можуть сприяти загальному тиску на газ і допомагати в його викиді з галактики.

Завдяки високій спектральній роздільній здатності XRISM, Ерін Бетчер (Університет Меріленду) та її колеги проаналізували спектри рентгенівського випромінювання сильно іонізованого заліза, присутнього в газі центральної частини M82. Інтенсивність цих спектрів дозволила визначити температуру газу, яка оцінюється приблизно в 25 мільйонів кельвінів, що узгоджується з теоретичними прогнозами. При таких температурах термічний тиск достатній для прискорення газу назовні, за механізмом, подібним до газових потоків, зумовлених градієнтами тиску.

Швидкість гарячого вітру вимірювалася на основі розширення спектральних ліній, ефекту, пов'язаного з ефектом Доплера. Швидкий рух газу, як у напрямку до спостерігача, так і в протилежному, розширює спостережувані спектри. Аналіз цього розширення показує, що швидкість вітру трохи перевищує очікувану. У поєднанні з високою температурою газу ця швидкість достатня для пояснення живлення холодного вітру, без потреби в домінуючій ролі космічних променів, хоча вони можуть відігравати вторинну роль.

Оцінки Бетчер та її колег свідчать про те, що центр M82 викидає щорічно масу газу, що дорівнює приблизно 7 сонячних мас. Проте частина цієї матерії, здається, не сприяє безпосередньо спостережуваному холодному вітрові. Лише близько 60% потужності гарячого вітру необхідно для прискорення холодного газу до спостережуваних швидкостей. Це свідчить про те, що приблизно 40% гарячого вітру, або 3 M⊙ на рік, можуть втекти. Припускаючи стаціонарний режим, до приблизно 30 мільйонів M⊙ цього газу могли досягти міжгалактичного середовища за останні 10 мільйонів років, починаючи з періоду активного зореутворення.

Цей газ збагачений металами внаслідок зореутворення. Більш того, гарячий потік вітру переносить більшу частину теплової енергії з багатофазного потоку. Це свідчить про те, що до третини загальної теплової енергії, що переноситься багатофазним вітром, також досягає міжгалактичного середовища під час гарячої фази. Таким чином, M82 є прикладом помірного нагрівання та хімічного збагачення міжгалактичного середовища завдяки вітру галактики з активним зореутворенням з невеликим червоним зсувом. Спостереження M82 за допомогою XRISM надають унікальну можливість зіставити моделі галактик з активним зореутворенням з точними спостережувальними даними.

Наступні досягнення в рентгенівській спектроскопії з високою роздільною здатністю дозволять провести статистичні вимірювання маси, металів та енергії, пов'язаних з найгарячішими фазами вітрів галактик з активним зореутворенням, уточнюючи наше розуміння баріонного циклу та процесів зворотного зв'язку в галактиках для наших моделей, що описують еволюцію галактик у Всесвіті.