Istisnuti mehuri relativističke plazme iz jezgra jata galaksija su verovatno ključni u rešavanju problema prenosa energije sa supermasivne crne rupe u međuprostor jata galaksija ICM, itracluster medium. Dok je količina energije koja prelazi u ICM mehurom ograničena zakonima konzervacije energije, dotle je sam mehanizam koji povezuje mehure i ICM još uvek predmet rasprava među naučnicima. Grupa istraživača sa Maks Plank Instituta za astrofiziku (MPA)  i Oksfordski Univerzitet tvrde kako su unutrašnji talasi verovatno sposobni da izdvoje energiju iz mehura u međuprostor.

Jata galaksija predstavljaju najmasivnije gravitaciono povezane tvorevine u vasioni. Temperatura gasa koji ispunjava duboke potencijalne jame jata dostiže vrednost na desetine i stotine miliona Kelvina što dovodi do moćnih X – zračnih emisija sa pomenutih astrofizičkih objekata. Dok je vremenska skala hlađenja gasa značajno kraća od Hablovog vremena [1], nema dokaza da se isti gas hladi ispod temperature X – zračenja što ukazuje na postojanje snažnog izvora toplote i koji nadoknađuje izgubljenu toplotu tokom hlađenja gasa. Većina naučnika se slaže u tome da supermasivne crne rupe predstavljaju glavne kandidate za izvore toplote.

Posmatranje jata galaksija predstavlja jedinstvenu priliku da proučimo uticaj supermasivnih crnih rupa na okolni ambijentalni gas, proces poznatiji pod nazivom active galactic nuclei (AGN) feedback što je naročito izraženo u radio domenu radio – mode feedback. U centru jata galaksija, dolazi do naduvavanja mehura relativističke plazme kao rezultat dejstva bipolarnih mlazeva sa supermasivne crne rupe. Ekspanzija mehura usled mlazeva se odvija do trenutka kada brzina širenja dostigne brzinu potiskivanja celokupnog mehura u ređi ICM međuprostor. Tada se mehuri odvajaju od mlazeva krećući se usled sile potiska iz gušće u ređu sredinu pri čemu se javlja uravnoteženje potiska i izvesne sile otpora kretanju što konačno dovodi do ustaljene brzine mehura. Posmatranja okolnih jata galaksija u X – zračnom i radio domenu jasno pokazuje međusobno delovanje međuprostora i mehura, Slika 1. Procenjena snaga potrebna za formiranje mehura i vremenske skale tokom koje se odvija potiskivanje je uporediva sa gubitkom toplote gasa usled hlađenja.

Slika 1. Snimak Persejevog jata galaksija satelitskom X – zračnom observatorijom Čandra. Mehuri su tamna područja na snimku (blokirano X – zračenje). "Aktivni" mehuri, prečnika približno 7 kpc (kilo parseka) su označeni crnim iscrtkanim krugovima. Navedeni regijoni su okruženi takozvanim kvazi – sfernim talasima u slabljenju, prečnika približno 14 kpc, prikazani žutim iscrtkanim krugovima. Spoljašnji mehur, na severo – zapadu u odnosu na centar, je veličine približno 25 kpc po svojevrsnoj "horizontali" dok je 7 kpc po "vertikali" (radijalno). © MPA

Zakon konzervacije energije mehura koji se kreće postignutom ustaljenom brzinom pokazuje da se veliki deo energije crne rupe utrošene na naduvavanje mehura prenosi na ICM međuprostor kako mehur prolazi nekoliko oblasti različitog pritiska. Predhodno iznesena činjenica obezbeđuje visok stepen povezanosti procesa naduvavanja i zagrevanja mehura ali je sam mehanizam prenošenja energije u ICM međuprostor već dugo prisutna tema u raspravama. Drugačije rečeno, priroda pomenute sile otpora a koja uravnotežava silu potiska je većim delom nepoznata. Predpostavljaju se različiti uzroci poput pojave unutrašnjih zvučnih talasa ili usled kovitlanja gasova tokom uzdizanja mehura, zatim usled dejstva potencijalne energije gasa koji se uzdiže i slično, Slika 2.

Slika 2. Skica predstavlja mehur u uzdizanju kroz medijum promenjive gustine. Mehur se kreće ustaljenom brzinom (Uterm) pri čemi je sila potiska u ravnoteži sa silom otpora. Linije sive, crne i narandžaste boje šematski prikazuju zvučne talase, turbulencije kao i unutrašnje talase nastali kretanjem mehura i koji mogu doprineti ukupnom otporu kretanja. © MPA

Astrofizičari već dugo pokušavaju da prouče dinamiku mehura kao i relevantne termodinamičke procese uz pomoć numeričkih simulacija. Uprkos svim dosadašnjim učinjenim naporima, ostale su brojne i skrivene nepoznanice u vezi ICM-a i mehurova pogotovu po pitanjima topologije i magnetnih polja. Jedna od nekonzistentnih procena koje slede iz idealizovanog hidrodinamičkih modela jeste i naglo rasplinjavanje mehura tokom potiskivanja u ređu sredinu. Suprotno predviđanjima, posmatranja nekih jata kao što je Perej ili M87/Devica u X – zračnom domenu pokazuju na šupljine telativno pravilnih oblika daleko i od centara jata galaksija, Slika 1. Kao što se i može uočiti sa slike, Mehuri su u početku gotovo sfernog oblika a zatim postaju sve spljošteniji kako sve više bivaju potiskivani. Fenomenološki posmatrano, na graničnoj površini mehura se razvijaju površinski naponi koji mehur održavaju stabilnim tokom vremena. Spljoštenost mehura može nastati usled kombinovanog dejstva gradijenta dinamičkog pritiska duž linije toka i površinskog napona i koji sprečavaju pucanje i raspadanje mehura. Posebne teškoće nastaju kada se u analizu uključe i fenomeni magnetne prirode. Kako bi prevazišli navedene probleme, grupe istraživača sa Maks Planka i Oksforda modeluju mehure krutim telom potiskivana tokom kretanja kroz međugalaktički gas promenjive gustine i proučavanjem uticaja koje takav gas može imati na mehure slično problemima koji nalaze mnoge primene u proučavanju atmosfere i okeana.

Otkriveno je da stepen spljoštenosti ima veliki uticaj na prirodu sile otpora tokom uzdizanja mehura. U slučaju sferičnih mehura, turbulencija pozadine mehura predstavlja dominantnu silu u odnosu na viskozni otpor tokom kretanja slično kao i kod homogenih fluida dok se kod izuzetno spljoštenih mehura javljaju poremećaji u samom toku. Simulacije ukazuju na to da se spljošteniji mehuri kreću sporije što se u konkretnim slučajevima zapaža kao pojava unutrašnjih talasa. U principu, navedeni talasi su slični talasima na površini vode i koje izaziva kretanje broda, na primer. Animirani prikaz, Animacija 1, pokazuje nastanak unutrašnjih talasa i njihovo horizontalno kretanje kao i vertikalno nadole u odnosu na mehur u uzdizanju, odnosno prikazuje kako se rasprostire energija unutar velike zapremine ICM međuprostora. Neke od zanimljivih osobina unutrašnjih talasa kao posrednika u prenošenju energije:

1. unutrašnji talasi su zarobljeni unutar centralnog područja jata jer je Brunt-Väisälä frekvencija (takozvana frekvencija potiska) opadajuća funkcija prečnika što govori o tome da se energija rasipa u prostor izvan jezgra jata galaksija,

2. navedeni talasi mogu da se prostiru tangencijalno (azimutno) i da na taj način prenose energiju kroz jezgro jata galaksija.

Takođe, uočavaju se složene strukture nastale usled kovitlanja gasova prilikom procesa spljoštavanja mehura u kretanju što pokazuje međuzavisnost sila potiska mehura i nastalih vrtloženja okolnog gasa.

Po rezultatima simulacija, očekivana ustaljena brzina severo–zapadnog mehura u jatu Persej (označenog belom elipsom, Slika 1) jeste približno 200 kilometara na čas i što je u skladu sa merenjima brzine gasa dobijenim uz pomoć Hitomi satelita [2]. Predhodno prikazane procene se takođe u skladu sa ograničenjima u pogledu brzina dobijenih analizom morfologije i veličine hladnih vlakana gasova u tragovima mehura. Dobijeni rezultati su ohrabrujući i predstavljaju tek prvi korak u jednom mnogo slženijem modelu mehura u jatima galaksija kao i u razmatranjima tokova toplotne energije gasova.

Animacija 1. Spljošten mehur u kretanju unutar gasa različite gustine unutar jata galaksija. Uočljiv je nastanak unutrašnjih talasa koji daju karakteristični izgled božićne jelke. © MPA

Prevod i adaptacija: Kočmaroš Laslo 24.03.2018.

Izvor

[1] Hablovo vreme brojčano predstavlja inverznu vrednost Hablove konstante: t_H = 1 / H₀ = 1 / 67,8[km/h]/Mpc = 4,5510¹⁷ sekundi = 14,4 milijardi godina i duže je od celokupnog trajanja vasione 13,8 milijardi godina. Smatra se da bi Hablovo vreme predstavljalo trajanje vasione u slučaju njenog linearnog širenja. Razlika u odnosu na starost vasione je nastala usled nelinearnog širenja kao posledica odnosa ukupne mase i energije u njoj. Pomenuti odnos približno iznosi 0,96 u standardnom Lambda – CDM modelu.

[2] ATRO – H je bila japanska X – zračna satelitska observatorija i koja je proučavala najsnažnije energetske procese u vasioni u opsegu preko 10 keV-a. Izvor