Археологія у «чайній чашці»: як в міхурах газу розпізнати зіткнення галактик

Головна проблема астрономів в тому, що на об’єкти їх інтересу можна тільки дивитися, ні помацати, ні провести з ними експерименти неможливо. Повною мірою це відноситься і до інших галактик, які ми бачимо лише зі сторони. Але бувають випадки, коли результатами астрономічних спостережень можуть позаздрити археологи – часто їм вдається побачити сліди подій, які відбувалися сотні мільйонів років тому? Астроном Олексій Мойсеєв зі Спеціальної астрофізичної обсерваторії РАН розповідає, як він та його колеги за допомогою телескопа БТА змогли зазирнути у далеке минуле квазара Тикап (Teacup, тобто «чайна чашка») – одного з найближчих до нашої Галактики.

Незважаючи на відносну близькість (всього 1,1 мільярда світлових років, більшість відомих галактик з настільки потужними по енергетиці ядрами знаходяться сильно далі), квазар SDSS J143029. 88+133912. 0 був виявлений . І швидко привернув увагу вчених своєю незвичайною структурою: на тлі витягнутого зоряного тіла галактики виділяється майже рівне кільце – «ручка чашки».

Виявилося, що це кільце – стінки міхура, наповнений гарячим ионизованного газом. Його діаметр близько 11 кілопарсеків (35 тисяч світлових років), а надула його надмасивна чорна діра в ядрі галактики.

Чорна діра захоплює навколишній газ, і під час цієї трапези навколо неї формується аккреційний диск. А вздовж осі цього диска виникає радиоджет – плазмовий викид частинок, які прискорюються до близькосвітлових швидкостей. Спільна дія радиоджета і випромінювання диска призводить до нагрівання газу галактики.

Тикап виявився зручною природною лабораторією для вивчення процесів взаємодії активного ядра галактики. Ядро нагріває, іонізує і викидає з галактики газ, але його активність може припинитися, якщо газ в околиці чорної діри закінчиться. Ці процеси повинні помітно впливати на еволюцію галактик, в тому числі і в більш ранній Всесвіту – так що міхур у «Чайній чашці» став об’єктом уважного розгляду із залученням великих наземних і космічних телескопів.

У 2018 році спостереження на найбільшому у світі з 10,4-метровим складовим дзеркалом додали нові штрихи до портрета галактики. Спектри, отримані з приладом OSIRIS, показали, що іонізований активним ядром газ присутній не тільки в області «ручки», але і в п’ять разів більшій відстані. Виявилося, що квазар оточений гігантської ионизованной туманністю, розмір якої, писали автори , «близький до рекордного серед усіх відомих у Всесвіті галактик».

Дійсно, поперечник туманності – близько 300 тисяч світлових років, що в три рази більше діаметра Чумацького Шляху, аж ніяк не маленькою галактики. І хоча за минулі роки були відкриті туманності ще більше, ніж Тикап, всі вони відносяться до далеких галактик ранньої Всесвіту. А «Чайна чашка» за космологічних масштабах – майже поруч з нами.

Але спектри канарського телескопа були отримані лише в двох напрямках, тому залишалося неясним ні як виглядає ця туманність, ні як рухається газ на такій відстані від ядра.

Ми вирішили поспостерігати «Чайну чашку» на 6-метровому телескопі методом 3D-спектроскопії зі скануючим інтерферометром Фабрі-Перо в приладі SCORPIO-2 (про цю техніці спостережень N + 1 вже ). В результаті нам вдалося побудувати карту розподілу світіння в лінії двічі іонізованого кисню за «великий ручці», і виміряти так зване поле швидкостей – швидкості газових хмар по променю зору.

Виявилося, туманність регулярно обертається навколо галактики, але структурно складається з двох частин – диска діаметром близько 250 тисяч світлових років, всередині якого приховано міхур «ручка чашки», та двох зовнішніх арок, частково повторюють форму «ручки», але в значно більших масштабах. Арки симетричні відносно ядра і знаходяться на одній лінії і з центральним міхуром і з ядром галактики – точно вздовж радиоджета.

Аналіз даних спостережень показав, що зовнішні газові арки також могли утворитися під дією активності ядра, але досить давно – близько 800 мільйонів років тому. Внутрішній міхур значно молодше, його вік, за різними оцінками, не більше за 50 мільйонів років.

Також, завдяки проведеним на 6-метровому телескопі спектральними спостереженнями, нам вдалося визначити, що зірки в центральній частині галактики сильно молодше, ніж на периферії – їм в середньому близько мільярда років проти 7-9 мільярдів для іншої галактики. При цьому вся гігантська туманність обертається під великим кутом до зіркового тіла галактики. Можливо, навіть перпендикулярно до нього. Ця особливість ріднить «Чайну чашку» з галактиками з полярними кільцями () – і вказує, що газ був захоплений галактикою з орбіт, які мають відповідний напрям обертання.

У нашій ми показуємо, що усі знайдені особливості будови галактики можуть пояснюватися єдиним сценарієм. Причиною утворення цього дивного об’єкта стало злиття галактики з масивним супутником близько мільярда років тому. При цьому сформувався газовий диск, нахилений до зоряного диска отриманої системи. Можливо, що він успадкував напрямок обертання багатого газом супутника, що злилося з основною галактикою. У той же час, перерозподіл кутового моменту обертання у внутрішній області призвело до того, що частина газу накопичилося в центрі – це досить часта ситуація злиття галактик. У щільному газі починають формуватися нові зірки. Сліди тієї спалаху зореутворення ми зараз і спостерігаємо, дивлячись на відносно молоде зоряне населення в ядрі галактики. Одночасно газ почав надходити і в самий центр, до надмасивної чорної діри. В результаті – «включилося» активне ядро, яке почало видувати в диску бульбашки, залишки яких ми і бачимо тепер як зовнішні арки іонізованого газу. А ручка чашки» утворилася вже значно пізніше, можливо, при наступній спалаху активності ядра.

Зрозуміло цей теоретичний сценарій вимагає підтвердження чисельним моделюванням взаємодії галактик. Ми сподіваємося, що дані, отримані на 6-метровому нашому і 10,4-метровому канарські телескопах допоможуть вибрати оптимальну модель, яка найкращим чином описує картину, побачену у «Чайній чашці».