8 Minutės
Mokslininkai aptiko galaktikų spiečių ankstyvoje Visatoje, kurių karštas dujų sluoksnis priešinga esamiems modeliams. Stebėjimai SPT2349-56, matomo vos po 1,4 milijardo metų nuo Didžiojo sprogimo, atskleidžia spiečiaus vidinę terpę (intracluster medium) kur kas karštesnę ir energetiškesnę nei galima paaiškinti vien tik gravitacija.
Kaip silpna kosmologinė šešėa atskleidžė milųinišką anomaliją
SPT2349-56 pirmąkart buvo aptiktas Pietų ašigalio teleskopu (South Pole Telescope) 2010 metais ir vėliau pripažintas kaip kompaktiškas, ekstremalus spiečius, sudarytas iš daugiau nei 30 galaktikų. Tolimesni stebėjimai atskleidė intensyvią žydimo veiklą — mažyliai 1 000 kartų spartesnę nei Paukščių Takas — bei gausias molekulines dujas, sujungiančas tas galaktikas. Norėdami ištyrinėti karštąs dujas tarp galaktikų, tarptautinė komanda, vadovaujama Dazhi Zhou, naudojo Atakama Milimetrų/submilimetrų masyvą (ALMA), kad išmatuotų kosminio mikrovilnės fono (CMB) nuokrypius.
Minėti nuokrypiai yra žinomi kaip termiškas Sunyaev–Zeldovich (tSZ) efektas: energingi elektronai karštose, retose dujose sklaido CMB fotonus ir palieka matomą pėdsaką, veikiau sukuria silpną šešėė ant kitaip vienodo fono. ALMA stebėjimai pateikė neabejotinai stiprų tSZ signalą iš SPT2349-56, rodantħ, kad spiečiaus vidinė terpė turi temperatūras viršijančas 10 milijonų kelvinų ribą.
Tokie matavimai tSZ efektu yra ypači svarbūs, nes jie tiesiogiai susijė su plačine spaudimo ir energetikos balansu spiečiaus viduje. tSZ signalas nepriklauso nuo paviršiaus ryšio tik tokiu mastu kaip optiniai spinduliai: vietoj to jis perduoda informaciją apie elektronų slėgį ir temperatūrą, kas leidžia atskleisti karšto plazmos energijos turį. Tai ypači galinga ankstyvų sistemų atveju, kai kiti indikatoriai (pvz., X spindulių emisija) gali būti per silpni ar per toli, kad būtų efektyviai išmatuoti.
Menininko vizualizacija molekulinių dujų spiečiaus vidinėje terpėje SPT2349-56 atveju.
Kodėl tokia temperatūra kelia problemų spiečių formavimo modeliams
Galaktikų spiečiai įprastai savo dujas šildo daugiausia gravitacijos procesai: kai nariai — galaktikos ir jas lydinčių dalelių debesis — traukiasi viena prie kitos, potencialioji energija virsta kinetine, o vėliau termine energija. Šis šildymas yra laipsniškas ir paprastai reikalauja kelių milijardų metų, kad pasiektų temperatūras, stebimas šiuolaikiniuose spiečųiuose. Tači modeliai, pritaikyti ankstyvajai Visatai, negali atkartoti ekstremalios terminės žymės, nustatytos SPT2349-56 vos po 1,4 milijardo metų nuo Didžiojo sprogimo.
Vyriausias autorius Dazhi Zhou pranešė, kad komanda atliko kelis mėnesius trukusius kryžitinius patikrinimus, po to, kai iš pradžios kilo abejonių dėl signalo stiprumo. Komandos analizė rodo, kad spiečiaus vidinės dujos yra bent penkis kartus karštesnės nei numatoma pagal standartinį gravitacinį šildymą — ir tam tikrais aspektais net karštesnės nei dujos, stebimos daugelėje vietinių spiečių. Toks neatitikimas nurodo papildomus, negravitacinius energijos šaltinius, formuojančius jauną spiečių.
Galimoji energijos pusiausvyros analizė apima ne tik paprastą šiluminės energijos kiekio skaičiavimą, bet ir mecąninius ir radiacinius procesus: susidurimus tarp galaktikų, greitus galaktikų sujungimus (mergers), kosmines sroves (accretion shocks), kosmines spindulių/elektronų populiacijas ir ypači aktyvių branduolių (AGN) veiklą. Iš visų AGN ir juodžio skylės akrecija yra vieni labiausiai tikėtinų kandidatų, galinčių paaiškinti greitą ir efektyvų šildymą tokiame jauname kosmologiniame amžiuje.
Galimi energijos šaltiniai: supermasyvios juodosios skylės ir intensyvus atgalinis ryšys (feedback)
Labiausiai tikėtinas paaiškinimas yra energingas atgalinis ryšys iš aktyvių galaktikų branduolių (AGN). Stebėjimai rodo, kad SPT2349-56 greičiausiai talpina bent tris supermasyvias juodąs skylės, kurios aktyviai auga ir paleidžia reliatyvistinius šeštus (jetus). Tokie šeštai gali suleisti milųiniškus energijos kiekius į aplinkines spiečiaus dujas, šildydami ir sujaudindami terpę gerokai greičiau nei tai galėtų padaryti gravitacija vien.
Energetiniai AGN šaltiniai gali veikti skirtingais rŷšiais: radijo ar "mechaninio" tipo jetai (radio-mode feedback) perduoda kinetinės energijos tiesiogiai į plazmą, sukeldami šokines bangas ir burbulus; tuo tarpu kvazarinis ar radiacinis (quasar-mode) feedback gali pasireikšti intensyviais radiacijos srautais, kurie jonizuoja ir šildo aplinkines dujas. SPT2349-56 atveju radijo ir millimetrinio diapazono stebėjimai rodo, kad mechaninis jetų poveikis gali būti reikšmingas ir pakankamai stiprus, kad paaiškintų pastebėtą tSZ signalą.
"Tai rodo, kad ankstyvoje Visatoje jau buvo procesų, greičiausiai susijusių su trijomis neseniai aptiktomis supermasyviomis juodosiomis skylėmis spiečyje, kurios į aplinką siųlė milųiniškus energijos kiekius ir formavo jaunuosius spiečius gerokai anksčiau bei stipriau, nei mes manydavome", — sako Scott Chapman, astrofizikas, dalyvavęs tyrime. Jei šis ankstyvas AGN feedback bus patvirtintas, tai reikalautų papildomų pakeitimų spiečių formavimo ir galaktikų evoliucijos simuliacijose.
Mokslinis kontekstas ir platesnės pasekmės
Supratimas apie ryšį tarp žydimo, juodžių skylės augimo ir intracluster terpės yra esminis, norint žydėti, kaip susijungia Visatos didžiosios struktūros. Galaktikų spiečiai talpina didžiausias galaktikas, o jų augimo istorijos stipriai priklauso nuo šildymo ir aušinimo procesų spiečiaus aplinkoje. Jei intensyvus AGN varomas šildymas buvo plačži paplitęs ankstyvoje Visatoje, jis galėtų slopinti arba peradresuoti žydimo procesus didelėse galaktikose, pakeisti dujų akrecijos trajektorijas ir pagreitinti perėjimo procesą nuo chaotiškų protospiečių prie šiandien matomų atpalaiduotų sistemų.
Tokia “baltoji” apkrova ankstyvoje Visatoje taip pat turi pasekmių kosmologiniams parametrams ir masės-apimties (mass-observable) skaliniams ryšiams, kuriuos naudoja astronomai matuojantys Visatos tankį ir plėtrą. Pavyzdžui, jei AGN feedback žemina stebimas rentgeno emisijas arba pakeičia tSZ santykinius parametrus, tada spiečių masės apskaičiavimai gali būti pakreipti, kas paveiktų kosmologinius apribojimus gautus iš spiečių apklausų.
Techniniu požįuriu, šie rezultatai remiasi tikslių tSZ matavimų su ALMA duomenimis, kurie suteikia reikiamą jautrumą ir kampinį ryšio raišką (angular resolution), kad atskirtų signalą nuo šios tankios, ankstyvos sistemos. Kartu su molekulinių dujų tyrimais ir optikos/infraraudonųjų spektroskopija, nustatančiomis raudončių ir žydimo spartas, tyrėjai kūria aiškesnį, nors ir labiau painų, ankstyvų spiečių dinamikos vaizdą.
Stebėjimai, instrumentai ir tolimesni veiksmai
ALMA aptikimas stipraus tSZ signalo SPT2349-56 papildo ankstesnes apklausas, pvz., Pietų ašigalio teleskopo plataus lauko žemėlapį ir tolimesnes vaizdavimo kampanijas, kurios atskleidė spiečiaus kompaktišką architektūrą. Būsimieji darbai apims gilesnes daugiabangčio spektro kampanijas: rentgeno (X-ray) stebėjimai galėtų tiesiogiai išmatuoti karštų dujų emisiją; radijo žemėlapiai gali atsekti AGN šeštų struktūras; o aukštos raiškos simuliacijos gali patikrinti, ar keli juodži skylės šeštai gali sukelti stebėtą šildymą per trumpus laiko intervalus.
Be to, mokslininkai ieškos kitų ankstyvų spiečių su panašiai stipriais tSZ žinmenimis. Jei SPT2349-56 paaiškinsis unikaliu, retu evoliuciniu taku, tai gali atskleisti vieną galimą formavimo scenarijų. Tači jei panašiai "perkaistos" spiečių ankstyvoje Visatoje yra daug, teoriniai rėmai turės būti reikšmingai peržvelgti, kad integruotų galingas ankstyvas atgalines ryšio mechanikas (AGN feedback) ir galimai paplitusius juodži skylės augimo etapus.
Konkrečiai, tolimesni veiksmai apims:
- Platesnė ALMA kampanija, skirta tSZ charakteristikų tikslinimui ir aukštesnės raiškos vaizdų gavimui spiečiaus centeriai.
- Rentgeno stebėjimai su Chandra ar XMM-Newton (bei planuojamu Athena) siekiant tiesiogiai išmatuoti plazmos emisiją ir patikrinti slėgio bei tankio pasiskirstymus.
- Radijo stebėjimai plačesniuose diapazonuose, kad identifikuoti ir palaikyti šeštų bei burbulų egzistavimą ir dinamiką.
- Didelio detalaus masto hidrodinaminės simuliacijos, imituojančios kelių AGN vienu metu veikiančių juodži skylės ir vertinančios, ar tokios konfigūracijos gali generuoti pastebėtus tSZ parametrus per 10^8–10^9 metus.
Ekspertų nuomonė
"Rasti tokias karštas dujas taip anksti yra tarsi aptikti krosnį vaikų kambaryje," sako dr. Anjali Rao, teorinė astrofizikė, nedalyvavusi tyrime. "Tai verčia mus klausti, ar mes nevertinome ankstyvo juodži skylės augimo, arba ar neteisingai charakterizavome, kaip greitai AGN gali nukreipti energiją į aplinkinė terpė. Bet kuri iš atsakymų turės rimtų pasekmių galaktikų ir spiečių evoliucijos modeliams."
Tokia pastaba akcentuoja, kad empirinių duomenų papildymas simuliaciniais tyrimais ir tarpdisciplininiu bendradarbiavimu yra būtinas, kad ši anomalija būtų įtraukta iš samprotavimų apie Visatos struktūrų formavimą. Tai taip pat pabrėžia instrumentų, tokių kaip ALMA ir plataus lauko apklausų, svarbą atrandant retas ir reikšmingas kosmologines fenomene.
Išvada
SPT2349-56 išsiskiria kaip provokuojantis iškrypimas: kompaktiškas, žydimo aktyvumą turintis spiečius, kurio intracluster terpė yra gerokai karštesnė nei leidžia prognozuoti gravitacijos varomi modeliai. ALMA tSZ aptikimas rodo reikšmingą ankstyvą AGN tipo atgalinį poveikį kaip tikėtiną šildymo mechaniką. Norint patvirtinti ir pateikti platesnį šio atradimo kontekstą reikalingi koordinuoti stebėjimai visame elektromagnetiniame spektre ir patobulintos simuliacijos, kurios imtųsi agresyvių, ankstyvų negravitacinių šildymo procesų.
Ateities darbai gali ne tik paaiškinti SPT2349-56 kilmė ir evoliuciją, bet ir pakeisti mūsų bendrą supratį visatos didžiosios struktūros formavimo teorijas, ypači dėl ankstyvų juodži skylės veiklos ir jos poveikio galaktikų augimui bei dujų dinamikai spiečių viduje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą