Внутрикластерная среда
В астрономии внутрикластерная среда ( ВСК ) – это перегретая плазма , пронизывающая скопление галактик . Газ состоит в основном из ионизированного водорода и гелия и составляет большую часть барионного материала в скоплениях галактик. ICM нагревается до температур порядка 10–100 мегакельвинов , испуская сильное рентгеновское излучение.
Состав
[ редактировать ]ICM состоит в основном из обычных барионов , в основном из ионизированного водорода и гелия. [1] Эта плазма обогащена более тяжелыми элементами, в том числе железом . Среднее количество более тяжелых элементов по отношению к водороду, известное в астрономии как металличность , колеблется от трети до половины значения на Солнце . [1] [2] Изучение химического состава ICM в зависимости от радиуса показало, что ядра скоплений галактик более богаты металлами, чем при больших радиусах. [2] В некоторых скоплениях (например, в скоплении Центавра ) металличность газа может превышать металличность Солнца. [3] Из-за гравитационного поля скоплений обогащенный металлами газ, выброшенный из сверхновой, остается гравитационно связанным с скоплением в составе ICM. [2] Наблюдая за меняющимся красным смещением , которое соответствует различным эпохам эволюции Вселенной, ICM может предоставить историю производства элементов в галактике. [4]
Примерно 15% массы скопления галактик находится в ICM. Звезды и галактики составляют лишь около 5% от общей массы. Предполагается, что большая часть массы в скоплении галактик состоит из темной материи , а не из барионной материи. Для скопления Девы ICM содержит примерно 3 × 10 14 M ☉, а общая масса скопления оценивается в 1,2 × 10 15 M ☉ . [1] [5]
Хотя ICM в целом содержит основную часть барионов скопления, он не очень плотный, с типичными значениями 10 −3 частиц на кубический сантиметр. Средняя длина свободного пробега частиц составляет примерно 10 16 м, или около одного светового года. Плотность ICM возрастает к центру кластера с относительно сильным пиком. Кроме того, температура ИКМ обычно падает до 1/2 или 1/3 внешнего значения в центральных областях. Как только плотность плазмы достигает критического значения, достаточное количество взаимодействий между ионами обеспечивает охлаждение за счет рентгеновского излучения. [6]
Наблюдение внутрикластерной среды
[ редактировать ]Поскольку ICM находится при таких высоких температурах, он излучает рентгеновское излучение, в основном за счет процесса тормозного излучения рентгеновского и линий излучения тяжелых элементов. [1] Эти рентгеновские лучи можно наблюдать с помощью рентгеновского телескопа , и посредством анализа этих данных можно определить физические условия, включая температуру, плотность и металличность плазмы.
Измерения профилей температуры и плотности в скоплениях галактик позволяют определить профиль распределения массы ICM посредством моделирования гидростатического равновесия . Распределение масс, определенное с помощью этих методов, показывает массы, которые намного превышают видимую светящуюся массу и, таким образом, являются убедительным признаком темной материи в скоплениях галактик. [7]
Обратное комптоновское рассеяние фотонов низкой энергии за счет взаимодействия с релятивистскими электронами в ICM вызывает искажения в спектре космического микроволнового фонового излучения (CMB) , известные как эффект Сюняева-Зельдовича . Эти температурные искажения реликтового излучения могут быть использованы телескопами, такими как Телескоп Южного полюса, для обнаружения плотных скоплений галактик на высоких красных смещениях. [8]
Сообщается, что в декабре 2022 года космический телескоп Джеймса Уэбба будет изучать слабый свет, излучаемый во внутрикластерной среде. [9] Исследование 2018 года показало, что это «точный светящийся индикатор темной материи». [10]
Охлаждающие потоки
[ редактировать ]Плазма в областях скопления, время остывания которых меньше возраста системы, должна охлаждаться за счет сильного рентгеновского излучения, излучение которого пропорционально квадрату плотности. Поскольку плотность ICM наибольшая ближе к центру скопления, время радиационного охлаждения значительно сокращается. [11] Центральный охлажденный газ больше не может выдерживать вес внешнего горячего газа, и градиент давления вызывает так называемый охлаждающий поток , при котором горячий газ из внешних областей медленно течет к центру кластера. Этот приток приведет к появлению областей холодного газа и, следовательно, областей нового звездообразования. [12] Однако недавно, с запуском новых рентгеновских телескопов, таких как рентгеновская обсерватория Чандра , были получены изображения скоплений галактик с лучшим пространственным разрешением. Эти новые изображения не указывают на признаки нового звездообразования на уровне того, что было предсказано исторически, что мотивирует исследование механизмов, которые могли бы предотвратить охлаждение центрального ICM. [11]
Обогрев
[ редактировать ]
Существует два популярных объяснения механизмов, препятствующих охлаждению центрального ICM: обратная связь от активных ядер галактик посредством инжекции релятивистских струй плазмы. [13] и выплескивание плазмы ИКМ при слиянии с субкластерами. [14] [15] Релятивистские струи вещества из активных галактических ядер можно увидеть на изображениях, полученных телескопами с высоким угловым разрешением, такими как рентгеновская обсерватория Чандра .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Спарк, Лос-Анджелес ; Галлахер, Дж.С. III (2007). Галактики во Вселенной . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-67186-6 .
- ^ Перейти обратно: а б с Манц, Адам Б.; Аллен, Стивен В.; Моррис, Р. Гленн; Симионеску, Аврора; Урбан, Ондрей; Вернер, Норберт; Журавлева, Ирина (декабрь 2017 г.). «Металличность внутрикластерной среды в течение космического времени: дополнительные доказательства раннего обогащения». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 472 (3): 2877–2888. arXiv : 1706.01476 . Бибкод : 2017MNRAS.472.2877M . дои : 10.1093/mnras/stx2200 . ISSN 0035-8711 .
- ^ Сандерс, Дж.С.; Фабиан, AC; Тейлор, Великобритания; Рассел, HR; Бланделл, КМ; Каннинг, REA; Главачек-Ларрондо, Дж.; Уокер, ЮАР; Граймс, СК (21 марта 2016 г.). «Очень глубокий взгляд Чандры на металлы, плеск и обратную связь в скоплении галактик Центавра». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 457 (1): 82–109. arXiv : 1601.01489 . Бибкод : 2016МНРАС.457...82С . дои : 10.1093/mnras/stv2972 . ISSN 0035-8711 .
- ^ Левенштейн, Майкл. Химический состав внутрикластерной среды , Столетний симпозиум обсерваторий Карнеги, стр. 422, 2004 г.
- ^ Фуке, Паскаль; Соланес, Хосе М.; Санчис, Тереза; Балковски, Шанталь (1 сентября 2001 г.). «Структура, масса и расстояние скопления Девы по модели Толмана-Бонди». Астрономия и астрофизика . 375 (3): 770–780. arXiv : astro-ph/0106261 . Бибкод : 2001A&A...375..770F . дои : 10.1051/0004-6361:20010833 . ISSN 0004-6361 . S2CID 10468717 .
- ^ Петерсон-младший; Фабиан, AC (2006). «Рентгеновская спектроскопия остывающих кластеров». Отчеты по физике . 427 (1): 1–39. arXiv : astro-ph/0512549 . Бибкод : 2006ФР...427....1П . дои : 10.1016/j.physrep.2005.12.007 . S2CID 11711221 .
- ^ Котов О.; Вихлинин, А. (2006). «Выборка скоплений галактик на Чандре при z = 0,4–0,55: эволюция во взаимосвязи массы и температуры» . Астрофизический журнал . 641 (2): 752–755. arXiv : astro-ph/0511044 . Бибкод : 2006ApJ...641..752K . дои : 10.1086/500553 . ISSN 0004-637X . S2CID 119325925 .
- ^ Станишевский З.; Аде, Пенсильвания; Эйрд, Калифорния; Бенсон, бакалавр; Блим, Ле; Карлстром, Дж. Э.; Чанг, CL; Х.-М. Чо; Кроуфорд, ТМ (2009). «Скопления галактик, обнаруженные с помощью обзора эффекта Сюняева-Зельдовича» . Астрофизический журнал . 701 (1): 32–41. arXiv : 0810.1578 . Бибкод : 2009ApJ...701...32S . дои : 10.1088/0004-637X/701/1/32 . ISSN 0004-637X . S2CID 14817925 .
- ^ Леа, Роберт (9 декабря 2022 г.). «Космический телескоп Джеймса Уэбба всматривается в «призрачный свет» межзвездного пространства. Слабый свет, излучаемый «сиротскими» звездами, существующими между галактиками в галактических скоплениях, показан на первом изображении глубокого поля, полученном космическим телескопом» . Space.com . Проверено 10 декабря 2022 г.
- ^ Монтес, Мирейя; Трухильо, Игнасио (23 октября 2018 г.). «Внутрикластерный свет: светящийся индикатор темной материи в скоплениях галактик» . Academic.oup.com . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . Проверено 11 января 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Фабиан, AC (1 июня 2003 г.). «Ядра кластера и потоки охлаждения». Эволюция галактики: теория и наблюдения (ред. Владимир Авила-Риз . 17 : 303–313. arXiv : astro-ph/0210150 . Бибкод : 2003RMxAC..17..303F .
- ^ Фабиан, AC (1 января 1994 г.). «Охлаждающие потоки в скоплениях галактик». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 32 : 277–318. arXiv : astro-ph/0201386 . Бибкод : 1994ARA&A..32..277F . CiteSeerX 10.1.1.255.3254 . дои : 10.1146/annurev.aa.32.090194.001425 . ISSN 0066-4146 .
- ^ Ян, Х.-Ю. Карен; Рейнольдс, Кристофер С. (01 января 2016 г.). «Как струи АЯГ нагревают внутрикластерную среду — данные гидродинамического моделирования» . Астрофизический журнал . 829 (2): 90. arXiv : 1605.01725 . Бибкод : 2016ApJ...829...90Y . дои : 10.3847/0004-637X/829/2/90 . ISSN 0004-637X . S2CID 55081632 .
- ^ ЗуХон, Дж.А.; Маркевич, М. (1 января 2009 г.). Нагрев ядра кластера из-за слияния субкластеров . Огненное дыхание монстра: обратная связь в галактиках. Материалы конференции AIP. Том. 1201. С. 383–386. arXiv : 0909.0560 . Бибкод : 2009AIPC.1201..383Z . CiteSeerX 10.1.1.246.2787 . дои : 10.1063/1.3293082 . S2CID 119287922 .
- ^ Фабиан, Эндрю К. (2002). «Охлаждающие потоки в скоплениях галактик». Маяки Вселенной: самые светящиеся небесные объекты и их использование для космологии . Симпозиумы по астрофизике ЭСО. Шпрингер, Берлин, Гейдельберг. стр. 24–36. arXiv : astro-ph/0201386 . CiteSeerX 10.1.1.255.3254 . дои : 10.1007/10856495_3 . ISBN 978-3-540-43769-7 . S2CID 118831315 .