Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Университета штата Мичиган составили по кусочкам теорию, описывающую, как скопления галактик могут регулировать звездообразование. На этой неделе они описывают свою структуру в журнале Nature.Когда внутри скопления газ быстро охлаждается, он конденсируется, а затем коллапсирует, образуя новые звезды.
Ученые давно думали, что что-то должно удерживать газ от охлаждения настолько, чтобы образовалось больше звезд — но что именно так и осталось загадкой.Исследователи говорят, что для некоторых скоплений галактик газ внутри скопления может быть просто слишком горячим — порядка сотен миллионов градусов по Цельсию. Даже если одна область испытывает некоторое охлаждение, интенсивность окружающего тепла будет препятствовать дальнейшему охлаждению этой области — эффект, известный как проводимость.
«Это все равно что положить кубик льда в кипящую кастрюлю с водой — средняя температура все еще кипит», — говорит Майкл Макдональд, научный сотрудник Хаббла из Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института. «При сверхвысоких температурах проводимость сглаживает распределение температуры, поэтому вы не получаете ни одного из этих холодных облаков, которые должны образовывать звезды».Для так называемых скоплений галактик с «холодным ядром» газ около центра может быть достаточно холодным, чтобы образовались звезды. Однако часть этого охлажденного газа может пролиться дождем в центральную черную дыру, которая затем извергнет горячий материал, который служит для повторного нагрева окружающей среды, предотвращая образование многих звезд — эффект, который команда называет «обратной связью, вызванной осадками».«Некоторые звезды сформируются, но прежде, чем это выйдет из-под контроля, черная дыра снова нагреет все — это как термостат для скопления», — говорит Макдональд. «Комбинация обратной связи, вызванной проводимостью и осадками, дает простую и ясную картину того, как звездообразование управляется в скоплениях галактик».
Переступая галактический порогВо Вселенной существует два основных класса скоплений галактик: скопления с холодным ядром — те, которые быстро остывают и образуют звезды, — и скопления с нехолодным ядром, которым не хватило времени для остывания.Скопление Кома, не холодное скопление, заполнено газом при температуре 100 миллионов градусов Цельсия.
Чтобы образовались звезды, этот газ должен остыть в течение нескольких миллиардов лет. Напротив, соседнее скопление Персей представляет собой кластер с холодным ядром, внутрикластерный газ которого имеет относительно умеренную температуру в несколько миллионов градусов по Цельсию.
В результате охлаждения этого газа в скоплении Персея время от времени появляются новые звезды, хотя их не так много, как предсказывали бы ученые.«Количество топлива для звездообразования превышает количество звезд в 10 раз, поэтому эти скопления должны быть действительно богаты звездами», — говорит Макдональд. «Вам действительно нужен какой-то механизм, предотвращающий охлаждение газа, иначе во Вселенной было бы в 10 раз больше звезд».Макдональд и его коллеги разработали теоретическую основу, основанную на двух механизмах предотвращения охлаждения.
Группа рассчитала поведение внутрикластерного газа на основе радиуса, массы, плотности и температуры скопления галактик. Исследователи обнаружили, что существует критический температурный порог, ниже которого охлаждение газа значительно ускоряется, в результате чего газ охлаждается достаточно быстро, чтобы образовались звезды.
Согласно теории группы, звездообразование регулируется двумя различными механизмами в зависимости от того, находится ли скопление галактик выше или ниже температурного порога. Для скоплений, которые значительно превышают пороговое значение, проводимость сдерживает звездообразование: окружающий горячий газ подавляет любые карманы холодного газа, которые могут образоваться, сохраняя все в скоплении при высоких температурах.«Эти более горячие скопления застряли в этом горячем состоянии и никогда не будут остывать и образовывать звезды», — говорит Макдональд. «Как только вы попадаете в этот очень высокотемпературный режим, охлаждение становится действительно неэффективным, и они застревают в нем навсегда».Для газа при температурах, близких к нижнему порогу, намного легче остыть с образованием звезд.
Однако в этих скоплениях начинает действовать обратная связь, связанная с осадками, чтобы регулировать звездообразование: хотя остывающий газ может быстро конденсироваться в облака капель, которые могут образовывать звезды, эти капли также могут падать дождем в центральную черную дыру — и в этом случае черная дыра может испускать горячие струи материала обратно в скопление, нагревая окружающий газ, чтобы предотвратить образование новых звезд.«В скоплении Персей мы видим эти струи, действующие на горячий газ, со всеми этими пузырьками, рябью и ударными волнами», — говорит Макдональд. «Теперь у нас есть хорошее представление о том, что вызвало эти струи, которые выбрасывали газ, падающий на черную дыру».
На ходуМакдональд и его коллеги сравнили свою теоретическую основу с наблюдениями далеких скоплений галактик и обнаружили, что их теория соответствует наблюдаемым различиям между скоплениями. Команда собрала данные из рентгеновской обсерватории Чандра и телескопа Южного полюса — обсерватории в Антарктиде, которая ищет далекие массивные скопления галактик.
Исследователи сравнили свою теоретическую схему со временем охлаждения газа каждого известного скопления галактик и обнаружили, что скопления фильтруются в две популяции — очень медленно остывающие скопления и кластеры, которые остывают быстро, ближе к скорости, предсказанной группой как критическая. порог.Макдональд говорит, что, используя теоретические основы, исследователи могут предсказать эволюцию скоплений галактик и звезд, которые они производят.«Мы построили путь, по которому следуют кластеры», — говорит Макдональд. «Хорошая и простая вещь в этой структуре заключается в том, что вы застреваете в одном из двух режимов на очень долгое время, пока что-то очень катастрофическое не выбьет вас из строя, например, лобовое столкновение с другим кластером».
Исследователи надеются глубже изучить теорию, чтобы увидеть, применимы ли механизмы, регулирующие звездообразование в скоплениях, к отдельным галактикам. По его словам, предварительные данные свидетельствуют о том, что это так.
«Если мы сможем использовать всю эту информацию, чтобы понять, почему или почему вокруг нас не образуются звезды, то мы сделали большой шаг вперед», — говорит Макдональд.