What Happens at the Cores of Galaxy Clusters?

The centers of rich galaxy clusters are the universe’s most chaotic locations.
BadGalaxyDay
BAD GALAXY DAY. Galaxy C153, illustrated here, is disintegrating as it plows through space. As the galaxy speeds through the gas in a large galaxy cluster, it loses much of its own gas.
NASA/Adolf Schaller

The centers of rich clusters of galaxies contain the densest concentrations of matter in the universe. They’re also among the most violent places we know of. As time rolls on and large galaxies swarm around meeker ones, mergers take place. Big galaxies grow larger by eating small ones. As this happens, worlds are torn apart, stars shredded, and gas clouds compressed into reckless new throes of star formation. We live in a relatively quiet corner of the Milky Way Galaxy. By contrast, the centers of rich galaxy clusters are the universe’s most chaotic locations, constantly bustling with activity.

Until recently, astronomers thought they understood how galaxy clusters form. As matter collapses inward, pulled by gravity, groups of galaxies and clumps of matter crush together. The monsters of the scene, the big galaxies, fall toward the center, where the most mass resides.

Hot gas in the cluster core loses energy and cools by emitting X-rays. As the gas inside the cluster cools, it also contracts. Astronomers dubbed this contracting gas a cooling flow. Up until 2006, the idea had been gospel since first proposed in 1977.

LogJam
LOGJAM. The center of galaxy cluster Abell 1689 appears chaotic thanks to a dense thicket of stars and dust shed by its multitude of whirling galaxies.
NASA/ESA/ACS Science Team

Galaxy clusters have thrown astronomers a few surprises. One of the theorists who came up with the cooling-flow model, Paul Nulsen of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, says, “We now think it’s almost completely wrong.” Researchers are now focusing on a model where more complex flows drive the formation and evolution of galaxy clusters.

But gas cooling remains an important feature of the latest models. The trouble is, astronomers just don’t know what’s heating the gas. X-ray observations suggest that a vast amount of cool gas should be produced in the cores of galaxy clusters each year. This should lead to massive episodes of star formation. “But when we measured rates of star formation,” says Brian McNamara of Ohio State University, “we were getting 10 to 20 solar masses a year or less.”

So what could be hiding in the cool gas? Near the turn of the century, McNamara uncovered a clue in the distant galaxy cluster Hydra A, some 840 million light-years away. Using NASA’s Chandra X-ray Observatory, he showed that powerful jets heated the surrounding gas to tens of millions of degrees.

Waltz
GRAVITATIONAL WALTZ. Engaging in a dance of destruction, galaxies in the group called Seyfert’s Sextet flirt with mergers.
NASA/J. English, S. Hunsberger, S. Zonak, J. Chaarlton, S. Gallagher, and L. Frattare
In 2005, McNamara and collaborators again used Chandra, this time to image X-ray emission from a very distant cluster, MS 0735.6+7421, which lies 2.6 billion light-years away in Camelopardalis. The team found two gigantic cavities within the cluster. Each of these voids was roomy enough to house 600 Milky Ways. The cavities were expanding away from a supermassive black hole. The team calculated that the energy required to displace this gas was some 1061 ergs — equivalent to the energy released by 10 billion supernovae. This was the largest single eruption astronomers have ever recorded.So, it appears the mysterious heat source inside galaxy clusters are jets from active galaxies powered by supermassive black holes. But the mystery lingers — jet luminosities don’t exactly match the clusters’ X-ray cooling rates. So, while the whole picture of galaxy-cluster heating and cooling is becoming clearer, it’s a long way from being solved.

What astronomers do know is that massive galaxy clusters remain among the cosmos’ most energetic spots.

 

Astronomy Magazine

Roiurile de galaxii  sunt locațiile cele mai haotice ale universului.

Ele conțin concentrațiile cele mai dense de materie din univers. De asemenea, sunt printre cele mai violente locuri pe care le cunoaștem. Pe măsură ce timpul se rostogolește iar galaxiile mari roiesc ca niște rechini în jurul bancului de galaxii mai mici, încep să aibă loc fuziunile. Galaxiile mari cresc și mai mult mâncându-le cele mici. Pe măsură ce acest lucru se întâmplă, lumile sunt sfărâmate, stelele mărunțite și norii de gaz se comprimă și se dilată ca în chinurile facerii rezultând noi formațiuni stelare. Trăim într-un colț relativ liniștit al galaxiei Calea Lactee. În schimb, centrele bogate în galaxii sunt locațiile cele mai haotice ale universului, într-o continuă agitație.

Până de curând, astronomii credeau că au înțeles cum se formează grupările de galaxii. Pe măsură ce materia se prăbușește spre interior, atrasă de gravitație, grupuri de galaxii și smocuri izolate de materie se zdrobesc între ele. Monștrii scenei, marile galaxii, cad spre centrul, unde se află cea mai mare masă. Gazul fierbinte din miezul clusterului pierde energie și se răcește prin emiterea de raze X. Pe măsură ce gazul din cluster se răcește, acesta se contractă și el. Astronomii au numit acest gaz contractant cooling flow. Această idee a fost sfântă încă de la prima propunere din 1977, dar doar până în 2006 când grupurile de galaxie le-au rezervat astronomilor câteva surprize. Unul dintre teoreticienii care au venit cu modelul de răcire, Paul Nulsen, de la Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian, spune: „Credem acum că  este aproape complet greșit.” Cercetătorii se concentrează acum pe un model în care fluxurile mai complexe conduc la formarea și evoluția grupurilor de galaxii.

Dar răcirea cu gaz rămâne o caracteristică importantă a celor mai noi modele. Problema este că astronomii nu știu doar ce încălzește gazul. Observațiile cu raze X sugerează că o cantitate mare de gaz rece ar trebui să fie produsă în miezurile de grupuri de galaxii în fiecare an. Aceasta ar trebui să conducă la episoade masive de formare a stelelor. „Dar când am măsurat ratele de formare de stele”, spune Brian McNamara, de la Universitatea de Stat din Ohio, „obținem cu 10 până la 20 de mase solare pe an mai puțin.”

Deci, ce s-ar putea ascunde în gazul rece? Aproape de sfârșitul secolului, McNamara a descoperit un indiciu în îndepărtatul grup de galaxii Hydra A, la aproximativ 840 de milioane de ani lumină. Folosind Observatorul de raze X Chandra al NASA, el a arătat că jeturile puternice încălzeau gazul din jur la zeci de milioane de grade.
În 2005, McNamara și colaboratorii au folosit din nou Chandra, de această dată pentru a imagina emisii de raze X de la un cluster foarte îndepărtat, MS 0735.6 + 7421, care se află la 2,6 miliarde de ani lumină în Camelopardalis. Echipa a găsit două cavități gigantice în cadrul grupului. Fiecare dintre aceste goluri era suficient de încăpător pentru a adăposti 600 de căi lactee. Cavitățile se expandau depărtându-se de o gaură neagră supermasivă. Echipa a calculat că energia necesară pentru deplasarea acestui gaz era de aproximativ 1061 erg – echivalent cu energia eliberată de 10 miliarde de supernove. Aceasta a fost cea mai mare erupție stelară care a fost înregistrată vreodată.

Deci, se pare că misterioasa sursă de căldură din interiorul grupurilor de galaxii sunt, de fapt, jeturi din galaxii active alimentate de găuri negre supermasive. Însă misterul persistă – luminozitățile jetului nu corespund exact ratelor de răcire cu raze X. Așadar, în timp ce întreaga imagine a încălzirii și răcirii galaxiilor este din ce în ce mai clară, este departe de a fi rezolvată.

Ceea ce știu astronomii este că grupurile masive de galaxii rămân printre cele mai energice locuri ale cosmosului.

***

Reclame

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Google

Comentezi folosind contul tău Google. Dezautentificare /  Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare /  Schimbă )

Conectare la %s