Введение
Сверхнагретая плазма, пронизывающая скопление галактик. В астрономии внутрикластерная среда (ICM) — это сверхнагретая плазма, заполняющая скопление галактик. Газ состоит главным образом из ионизированного водорода и гелия и составляет основную часть барионной материи в скоплениях галактик. Внутрикластерная среда нагревается до температур порядка от 10 до 100 мегакельвинов, испуская интенсивное рентгеновское излучение.
In astronomy, the intracluster medium (ICM) is the superheated plasma that permeates a galaxy cluster. The gas consists mainly of ionized hydrogen and helium and accounts for most of the baryonic material in galaxy clusters. The ICM is heated to temperatures on the order of 10 to 100 megakelvins, emitting strong X ray radiation.
Состав
МКМ состоит в основном из обычных барионов, главным образом ионизированного водорода и гелия. Эта плазма обогащена более тяжелыми элементами, включая железо. Среднее количество более тяжелых элементов относительно водорода, известное в астрономии как металличность, составляет от трети до половины солнечного значения. Изучение химического состава МКМ в зависимости от радиуса показало, что ядра скоплений галактик богаче металлами, чем области на больших расстояниях от центра. Благодаря гравитационному полю скоплений, газ, обогащенный металлами и выброшенный остатками сверхновых, остается гравитационно связанным со скоплением как часть МКМ. Примерно 15% массы скопления галактик приходится на МКМ. Звезды и галактики составляют лишь около 5% от общей массы. Предполагается, что большая часть массы в скоплении галактик состоит из темной материи, а не из барионной. Для скопления Девы МКМ содержит примерно 3 × 10¹⁴ M☉, а общая масса скопления оценивается в 1,2 × 10¹⁵ M☉. Хотя МКМ в целом содержит основную часть барионов скопления, оно не очень плотное, с типичными значениями 10⁻³ частиц на кубический сантиметр. Средняя длина свободного пробега частиц составляет примерно 10¹⁶ м, или около одного светового года. Плотность МКМ возрастает к центру скопления, достигая относительно выраженного пика. Кроме того, температура МКМ обычно падает до 1/2 или 1/3 от значения на периферии в центральных областях. Как только плотность плазмы достигает критического значения, достаточное количество взаимодействий между ионами обеспечивает охлаждение посредством рентгеновского излучения.
Наблюдение за средой внутри кластера
Поскольку внутрикластерная среда (ВКС) находится при таких высоких температурах, она излучает рентгеновское излучение, главным образом за счет тормозного излучения и рентгеновских линий, испускаемых тяжелыми элементами. Обратное комптоновское рассеяние фотонов низкой энергии при взаимодействии с релятивистскими электронами в ВКС вызывает искажения в спектре космического микроволнового фонового излучения (КМФ), известного как эффект Сюняева — Зельдовича. Эти температурные искажения в КМФ могут использоваться такими телескопами, как Южнополюсный телескоп, для обнаружения плотных скоплений галактик на больших красных смещениях. В декабре 2022 года сообщалось, что космический телескоп Джеймса Уэбба изучает слабое излучение внутрикластерной среды, которое, согласно исследованию 2018 года, является "точным светящимся индикатором темной материи".
Потоки охлаждения
Плазма в областях скопления, с временем охлаждения, меньшим, чем возраст системы, должна охлаждаться из-за интенсивного рентгеновского излучения, где излучение пропорционально квадрату плотности. Поскольку плотность межкластерной среды (МКМ) максимальна к центру скопления, время радиационного охлаждения существенно уменьшается. Центральный охлажденный газ больше не может поддерживать вес внешнего горячего газа, и градиент давления приводит к возникновению так называемого охлаждающего потока, при котором горячий газ из внешних областей медленно стекается к центру скопления. Этот приток должен приводить к образованию областей холодного газа и, следовательно, к формированию новых звезд. Однако, с недавним запуском новых рентгеновских телескопов, таких как рентгеновская обсерватория Чандра, были получены изображения скоплений галактик с более высоким пространственным разрешением. Эти новые изображения не демонстрируют признаков звездообразования в масштабах, предсказанных ранее, что стимулирует исследования механизмов, препятствующих охлаждению центральной МКМ, а также явлений, связанных с перемешиванием плазмы МКМ во время слияний с подскоплениями. Релятивистские струи вещества из активных галактических ядер видны на изображениях, полученных телескопами с высоким угловым разрешением, такими как рентгеновская обсерватория Чандра.