Квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Они возникают, когда сверхмассивная черная дыра (СМЧД) активно поглощает окружающее вещество. При этом часть энергии выделяется в виде интенсивного излучения и мощных потоков газа, разгоняемых воздействием черных дыр. Такая обратная связь, по мнению ученых, позволяет черной дыре влиять на окружающую среду, нагревая газ и регулируя звездообразование.
Предыдущие наблюдения уже показали, что квазары могут порождать быстрые «ветры» в пределах своих галактик. Правда, насколько эффективно эта энергия передается на гораздо больших масштабах — в горячую межгалактическую среду, заполняющую скопления галактик, — было неясно.
Теперь ученые наблюдали скопление галактик H1821+643. Его увидели таким, каким оно было приблизительно 3,5 миллиарда лет назад. Это ближайшее известное скопление с центральным радиотихим квазаром — ярким источником излучения, что питается за счет активного поглощения вещества СМЧД.
В наблюдениях задействовали космическую обсерваторию XRISM, запущенную Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) совместно с NASA и ESA. Спектрометр Resolve, установленный на ее борту, позволяет точно измерять скорость движения горячего газа, анализируя изменения в рентгеновском излучении. Так ученые напрямую исследовали хаотичные движения вещества внутри скопления галактик.
Анализ линий излучения высокоионизированного железа Fe XXV Heα — одного из наиболее ярких рентгеновских маркеров горячего газа — показал, что они много шире, чем в других изученных скоплениях. Разброс скоростей движения горячего газа составил примерно 300 километров в секунду. Для сравнения, в спокойных ядрах близких скоплений галактик этот показатель обычно не превышает 160 километров в секунду. Столь сильное расхождение указывает на интенсивную турбулентность и хаотичное движение газа.
Чтобы определить, где именно возникает сигнал, исследователи объединили данные XRISM с архивными наблюдениями рентгеновской обсерватории Chandra. Выяснилось, что более 90 процентов линий Fe XXV Heα возникают в области горячего газа, расположенной на расстоянии от 65 до 326 тысяч световых лет от центра скопления. Значит, источник возмущений расположен далеко за пределами родной галактики квазара и распространяет свое влияние на межгалактическую среду всего скопления.
Наиболее вероятным объяснением ученые сочли действие мощных ветров, что формируются вблизи СМЧД. Распространяясь, они создают ударную волну, которая постепенно передает энергию окружающему горячему газу. Саму ударную волну обнаружить трудно, поскольку в такой горячей среде она быстро ослабевает. Однако вызванная ею турбулентность сохраняется много дольше и оставляет заметный след в рентгеновском излучении, по которому астрономы могут измерить скорость движения газа.
Исследователи также оценили, насколько эффективно квазар передает свою энергию окружающей среде. Расчеты показали, что от одного до 10 процентов энергии передается окружающему газу. Это много больше, чем предполагали предыдущие оценки, где такая доля не превышала 0,01 процента. Полученные значения совпадают с современными моделями формирования и эволюции галактик.
Результаты научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy, впервые предоставили наблюдательные доказательства того, что активность квазаров может существенно влиять на эволюцию галактик и их скоплений, как и предполагают современные модели космоса.