АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 85, № 9, с. 786-793
УДК 524.7-85+524.827
ЭФФЕКТ ЗЕЛЬДОВИЧА-СЮНЯЕВА В ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ГАЛАКТИКАХ
© 2008 г. Б. В. Комберг1, Д. И. Нагирнер2, И. В. Журавлева3
1 Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
2Астрономический институт им. В.В. Соболева С.-Петербургского государственного университета,
С.-Петербург, Россия
3С.-Петербургский государственный университет, С.-Петербург, Россия Поступила в редакцию 11.10.2007 г.; принята в печать 18.01.2008 г.
Кратко прослеживается история открытия горячего газа в галактиках, описываются его основные свойства и подчеркивается желательность их уточнения, в частности, получения дополнительных сведений о массе этого газа. Для этого предлагается использовать наблюдения эффекта Зельдовича— Сюняева на горячем газе корон эллиптических галактик. Рассчитаны абсолютные и относительные возмущения спектра реликтового излучения, образующиеся в результате рассеяния реликтовых фотонов электронами с максвелловским распределением по энергиям. На примере трех эллиптических галактик показано, что наблюдать эффект Зельдовича—Сюняева в подобных галактиках вполне возможно. Доступен наблюдениям и кинематический эффект Зельдовича—Сюняева, возникающий за счет пекулярного движения и вращения галактик. Такие наблюдения, совместно с рентгеновскими данными, позволили бы уточнить свойства газа в галактиках, а также получить дополнительные сведения о вращении галактик, о возможных потоках аккрецирующего на них газа и о горячем галактическом ветре.
PACS: 98.52.Eh, 98.58.Ay, 98.58.Kh, 98.70.Vc
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффект, заключающийся в искажении черно-тельного спектра реликтового излучения (РИ) при рассеянии его горячим межгалактическим газом скоплений галактик, был предсказан Зельдовичем и Сюняевым [1] в 1969 г. и с тех пор стал широко применяемым средством исследования как свойств этого газа, так и определения некоторых космологических параметров, например, постоянной Хаббла. Наряду с этим (как говорят, тепловым) эффектом был предсказан и так называмый кинематический эффект Зельдовича—Сюняева [2], возникающий при том же рассеянии реликтовых фотонов вследствие пекулярного движения скоплений галактик по отношению к реликтовому фону. Подробному изложению описания обоих видов эффекта, уточнению этого описания и результатов его наблюдений посвящены многие статьи и ряд обзоров (см., например, [3—7]).
В последнее время эффектом Зельдовича— Сюняева стали называть рассеяние РИ горячим газом не только скоплений галактик, но и других астрофизических объектов, например, газом, истекающим из активных галактик и квазаров
(другие примеры приведены в обзоре [6]). Здесь мы предлагаем наблюдать как тепловой, так и кинематический эффект на газе эллиптических галактик. Эффект получается примерно на порядок меньшим, чем на скоплениях галактик, но он все-таки доступен наблюдениям.
В начале статьи рассмотрим кратко проблему горячего газа в галактиках.
2. ГОРЯЧИЙ ГАЗ В ГАЛАКТИКАХ
Долгое время считалось, что присутствие большого количества межзвездного газа является характерной чертой дисковых галактик, а в эллиптических и линзовидных (SO) галактиках его мало. При этом подразумевался холодный, нейтральный газ — такой же, какой, как в основном предполагалось, имеется в нашей Галактике. Положение изменилось после запусков рентгеновских спутников (см., обзоры [8, 9]). Обнаруженное в конце 1970 г. спутником UHURU рентгеновское излучение от скоплений галактик (см., например, [10—12] и обзор [13]) свидетельствовало о наличии в галактиках и межгалактической среде достаточного количества горячего газа, способного излучать в
рентгеновском диапазоне. С повышением углового разрешения рентгеновских приемников были открыты многочисленные "точечные" источники (см., например, [14]), вклад которых в рентгеновское излучение необходимо было учитывать, о чем подробно говорится в статье Тукера [ 15].
После запуска в конце 1978 г. обсерватории им. Эйнштейна (HEAO II) стало возможным подробное изучение свойств рентгеновского излучения от отдельных галактик (см., например, [16]), включающее вычитание излучения точечных источников и выделение излучения горячего диффузного газа [17, 18]. Сначала горячий газ был обнаружен в 5 дисковых галактиках скопления в Деве [19], а затем и в эллиптических галактиках [20, 21].
Впоследствии при использовании соотношения между светимостями галактик в рентгеновском диапазоне Lx и в оптическом диапазоне Lb, которое согласно [21, 22] можно записать в виде Lx ~ 1019 (Lb/Lq)2 эрг/с, были получены оценки величины электронной концентрации в центральных областях галактик ^0.1 см-3, температуры газа -107 К и времени охлаждения х 106—5 х х 107 лет [23]. При этом было установлено, что концентрация частиц уменьшается с увеличением расстояния r от центра галактики примерно по степенному закону r-a, где а & 1—1.5.
Относительно небольшое время охлаждения газа в центральных областях галактики говорит о наличии "охлаждающихся течений" (cooling flow). В них могут сохраняться пылевые облака, ИК-излучение которых в галактиках E/SO наблюдалось на спутнике IRAS [24—26]. Из этого факта вместе с данными рентгеновских наблюдений (см., например, [20]) следует вывод о многофазности межзвездного вещества не только в дисковых, но и в эллиптических галактиках. При построении моделей рентгеновских гало и возможных появлений "охлаждающихся потоков" такая многофазность принималась во внимание, например, в статье [8]. Правда, как отмечалось в ряде работ, например, в [27], свой вклад в баланс между нагревом и остыванием газа вносят вспышки звездообразования и активность ядер.
Общая масса горячего газа в массивных эллиптических галактиках может достигать 1010 Mq . При этом по данным, например, Бригенти и Ме-тьюса [28], относительное содержание в нем тяжелых элементов, в том числе железа, растет от ZFe ~ 0.2—0.4 на периферии до ZFe ~ 1—2 в центре. Как показано в ряде работ (см., например, [29, 30]), количество газа в галактиках и его рентгеновская светимость коррелируют с их звездным излучением, а значит и с их массой: LX ~ L2pt ~ Ms2tars. Этот вывод верен и для скоплений галактик [31].
Проблема оценки массы вириализованных систем (это могут быть и E-галактики и далеко про-эволюционировавшие скопления галактик) путем использования свойств диффузного рентгеновского излучения рассматривалась в нескольких работах, например, в [31—33]. Ясно, что для решения этой задачи необходимы как знание распределения плотности газа в системе вдоль ее радиуса, так и некоторые предположения о степени его скученности в пространстве — таким образом, решение задачи является модельно-зависимым. Трудность решения такой задачи, в первую очередь, проявляется при исследовании газовой компоненты в скоплениях галактик, которые в основной своей массе, строго говоря, не являются до конца вириа-лизованными системами. Об этом свидетельствуют по данным работ [34, 35] наблюдаемые неоднородности поверхностной яркости диффузного рентгеновского излучения горячего газа в скоплениях галактик.
В связи с указанным обстоятельством предлагались и другие методы оценки масс как галактик, так и их скоплений. В первую очередь, это метод, основанный на эффекте гравитационного линзирования (см., например, [36, 37]). Однако данный метод требует решения обратной задачи, а именно, восстановления распределения массы в самой гравитационной линзе по линзированному изображению. Еще один подход к оценке массы внегалактических систем связан с использованием интегрального теплового эффекта З-С, предложенного открывателями теплового эффекта [ 1]. Он менее чувствителен к деталям процессов нагрева и остывания газа и не зависит от красного смещения системы. В работе [38] приводятся аргументы в пользу именно этого метода как имеющего преимущества по сравнению с методами оценки массы скоплений галактик по их рентгеновскому излучению. Эти преимущества в еще большей степени могут проявиться в случае исследования горячих корон массивных сфероидальных галактик, вириа-лизация которых происходит быстрее и заканчивается раньше, чем в скоплениях галактик. Поэтому такие короны можно наблюдать в рентгеновском диапазоне на более ранних космологических временах, чем скопления галактик. Несмотря на то, что вириальная температура у корон галактик на порядок ниже, чем у газа скоплений, а угловой размер заметно меньше размера скоплений, распределение газа в них более однородное опять же вследствие более быстрого слияния галактик из отдельных фрагментов по сравнению со скоплениями. Об этом свидетельствуют и наблюдательные факты. Во-первых, существуют очень далекие квазары, представляющие собой активные ядра галактик, в то время как система галактик еще далека от вириализованного состояния и представляет собой
1е(гс, (3)
в
Рис. 1. Значения интеграла 1е(гс,в).
протоскопление. Во-вторых, для массивных эллиптических галактик имеется зависимость между массами центральных черных дыр и рентгеновской светимостью их корон, установленная в уже упоминавшихся работах [29—31].
Как уже отмечалось, в последние годы эффект изменения спектра РИ при рассеянии его горячим газом предлагалось использовать для исследования целого ряда астрофизических феноменов. Например, в работе [39] речь шла об остывающих потоках в скоплениях галактик, в работах [40, 41] — о ветре вокруг ярких квазаров, а в работе [27] — о молодых галактиках с мощными вспышками звездообразования.
В нашей статье мы обращаем внимание на возможность наблюдения эффекта Зельдовича— Сюняева на горячем газе сфероидальных галактик, которые не являются источниками заметного протяженного радиоизлучения. Это, как правило, изолированные эллиптические галактики, которые были центральными в группах или небогатых скоплениях1 . Такие наблюдения, по нашему мнению, представляют интерес не только для физики самих галактик, но и для космологии по следующим причинам.
1 Центральные галактики в богатых скоплениях с этой
точки зрения не подходят, так как часто являются источниками сильного радиоиз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.