Изучение ветров в галактике M82

Астрономы впервые смогли напрямую измерить скорость горячего газа, выбрасываемого из ядра галактики M82, которая известна своей активной звездной формированием. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature, представляют собой значительный шаг вперед в понимании механизмов, стоящих за галактическими ветрами в галактиках с активным образованием звезд.

Наблюдения показывают, что этот горячий ветер, вероятно, является основным двигателем более холодного галактического ветра, который уже хорошо задокументирован и распространяется на большие расстояния вокруг галактики. Измерения стали возможны благодаря инструменту Resolve, высокоразрешающему спектрометру, установленному на космическом телескопе XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission), который специализируется на наблюдении за рентгеновским излучением.

Согласно классическим теоретическим моделям, в галактиках с активным образованием звезд, таких как M82, энергия, высвобождаемая при образовании массивных звезд и взрывах сверхновых, значительно нагревает центральный межзвездный газ. Этот газ, достигая экстремальных температур, испытывает сильное термическое давление, которое выталкивает его наружу в виде галактического ветра. Ранее отсутствие прямых измерений скоростей горячего газа не позволяло строго проверять эти модели. Однако данные XRISM показывают, что скорости превышают некоторые предсказания и достаточны для того, чтобы газ мог покинуть гравитационное поле галактики.

Галактика M82, часто называемая «галактикой Сигара» из-за своей вытянутой формы, находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли в созвездии Большой Медведицы. Она формирует звезды примерно в десять раз быстрее, чем наша Галактика, что делает её идеальной для изучения процессов взаимодействия между образованием звезд и межзвездной средой.

M82 также известна своим обширным холодным ветром, состоящим из газа и пыли, который простирается на почти 40 000 световых лет. Этот ветер наблюдался с помощью различных космических телескопов, включая Hubble, Chandra, Spitzer и Webb, чтобы лучше понять связь между центральной звездной активностью и выбросом материи на больших масштабах.

Одним из важных аспектов этих исследований является роль космических лучей — заряженных частиц, движущихся с релятивистскими скоростями. Они могут оказывать влияние на общее давление, действующее на газ, и участвовать в его выбросе из галактики, будучи ускоренными теми же явлениями, что и галактические ветры.

С помощью высокой спектральной разрешающей способности XRISM Эрин Бетчер (Университет Мэриленда) и её коллеги проанализировали рентгеновские линии излучения железа, сильно ионизированного, присутствующего в центральном газе M82. Интенсивность этих линий позволила оценить температуру газа, которая составляет около 25 миллионов кельвинов, что соответствует теоретическим предсказаниям. При таких температурах термическое давление становится достаточным для того, чтобы ускорить газ наружу, по механизму, аналогичному течению газа из-за градиентов давления.

Скорость горячего ветра была измерена на основе расширения спектральных линий, что связано с эффектом Доплера. Быстрое движение газа, как к наблюдателю, так и от него, расширяет наблюдаемые линии. Анализ этого расширения показывает, что скорость ветра немного превышает ожидаемую. В сочетании с высокой температурой газа эта скорость достаточно для объяснения питания холодного ветра, без необходимости в значительном вкладе космических лучей, хотя они могут играть второстепенную роль.

По оценкам Бетчер и её коллег, центр M82 выбрасывает ежегодно массу газа, равную примерно 7 солнечным массам. Однако часть этого материала, похоже, не вносит прямой вклад в наблюдаемый холодный ветер. Лишь около 60% мощности горячего ветра необходимо для ускорения холодного газа до наблюдаемых скоростей. Это предполагает, что около 40% горячего ветра, то есть 3 M⊙ в год, могут покидать галактику. Предполагая стационарный режим, до 30 миллионов M⊙ этого газа могли достичь межгалактической среды за последние 10 миллионов лет, начиная с недавних всплесков звездного формирования.

Этот газ обогащён металлами в результате звёздного формирования. Кроме того, горячий поток ветра транспортирует большую часть тепловой энергии многокомпонентного потока. Это предполагает, что до трети всей тепловой энергии, транспортируемой многокомпонентным ветром, также достигает межгалактической среды в фазе горячего состояния. Таким образом, M82 является примером умеренного нагрева и химического обогащения межгалактической среды за счёт ветра галактики с активным образованием звезд с низким красным смещением. Наблюдения M82 с помощью XRISM предоставляют уникальную возможность сопоставить модели галактик с активным образованием звезд с точными наблюдательными данными.

Появление высокоразрешающей рентгеновской спектроскопии позволит проводить статистические измерения массы, металлов и энергии, связанных с самыми горячими фазами ветров галактик с активным образованием звезд, тем самым уточняя наше понимание барионного цикла и процессов галактической обратной связи для моделей, описывающих эволюцию галактик во Вселенной.