ตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักร

ช่องว่างระหว่างดาราจักรในกระจุกดาราจักรเต็มไปด้วยพลาสมาที่ร้อนจัดและปล่อยรังสีเอกซ์ ซึ่งมีมวลมากกว่ามวลรวมของดาวฤกษ์ทั้งหมดในกระจุกดาราจักรนั้น

Definition

ตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักร (intracluster medium) คือก๊าซไอออไนซ์ที่กระจายตัวและร้อนจัด อุณหภูมิหลายสิบล้านองศาเซลเซียส ซึ่งเติมเต็มปริมาตรระหว่างดาราจักรในกระจุกดาราจักร ปล่อยรังสีเอกซ์ และเป็นองค์ประกอบแบริออนิกหลักของกระจุกดาราจักร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงคุณสมบัติของก๊าซร้อนระหว่างกระจุกดาราจักร การปล่อยรังสีเอกซ์และการวินิจฉัยที่ได้จากรังสีเอกซ์ ปัญหาการไหลเย็นในแกนกลางของกระจุกดาราจักรและการยับยั้งโดยกลไกป้อนกลับ การเสริมสร้างทางเคมีของก๊าซ และปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich ซึ่งกระจุกดาราจักรทิ้งร่องรอยไว้บนพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล

Core questions

• อุณหภูมิ ความหนาแน่น และองค์ประกอบของก๊าซระหว่างกระจุกดาราจักรเป็นอย่างไร?
• การปล่อยรังสีเอกซ์ช่วยวินิจฉัยสถานะของก๊าซได้อย่างไร?
• แกนกลางของกระจุกดาราจักรมีการไหลเย็นหรือไม่ และอะไรที่ป้องกันการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว?
• ปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich ช่วยให้ตรวจจับกระจุกดาราจักรได้อย่างไร?

Key theories

ก๊าซร้อนที่ปล่อยรังสีเอกซ์

ตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักรเป็นพลาสมาที่ได้รับความร้อนจากศักย์โน้มถ่วงของกระจุกดาราจักรจนมีอุณหภูมิที่ปล่อยรังสีเอกซ์ได้ การปล่อยรังสีเอกซ์เผยให้เห็นความหนาแน่นของก๊าซ อุณหภูมิ และมวลรวมของกระจุกดาราจักร

การไหลเย็นและกลไกป้อนกลับ

แกนกลางของกระจุกดาราจักรที่มีความหนาแน่นสูงควรเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วและก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ แต่การสังเกตการณ์แสดงให้เห็นว่ามีการเย็นตัวน้อยกว่าที่คาดการณ์ไว้มาก ซึ่งบ่งชี้ถึงการให้ความร้อน โดยหลักแล้วจากนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์กลาง (active galactic nucleus) ซึ่งชดเชยการสูญเสียพลังงานจากการแผ่รังสี

ปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich

อิเล็กตรอนร้อนในตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักรจะกระเจิงโฟตอนพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลให้มีพลังงานสูงขึ้น ทำให้เกิดการบิดเบือนที่ช่วยตรวจจับกระจุกดาราจักรได้โดยไม่ขึ้นกับระยะทาง

Clinical relevance

ตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักรบรรจุสสารปกติส่วนใหญ่ของกระจุกดาราจักรและบันทึกประวัติการให้ความร้อนและการเสริมสร้างทางเคมีของมัน การตรวจจับรังสีเอกซ์และปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich เป็นเครื่องมือหลักในการค้นหากระจุกดาราจักรและวัดมวลของพวกมันเพื่อวัตถุประสงค์ทางจักรวาลวิทยา

History

ดาวเทียมรังสีเอกซ์ในช่วงทศวรรษ 1970 เปิดเผยว่ากระจุกดาราจักรเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างจ้า ซึ่งยืนยันการมีอยู่ของตัวกลางระหว่างกระจุกดาราจักรที่ร้อนจัด การไหลเย็นที่คาดการณ์ไว้ ซึ่ง Fabian ได้ทบทวนในปี 1994 กลับไม่ปรากฏให้เห็นส่วนใหญ่ในข้อมูลความละเอียดสูงในภายหลัง ซึ่งชี้ให้เห็นถึงกลไกป้อนกลับจาก AGN ในขณะที่ปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich กลายเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการค้นหากระจุกดาราจักร

Key figures

• Craig Sarazin
• Andrew Fabian
• Rashid Sunyaev
• Yakov Zeldovich

Seminal works

• sarazin1988
• fabian1994
• sunyaev1972

Frequently asked questions

ทำไมก๊าซระหว่างดาราจักรในกระจุกดาราจักรจึงร้อนจัด?

เมื่อก๊าซตกลงไปในหลุมแรงโน้มถ่วงลึกของกระจุกดาราจักร มันจะถูกบีบอัดและได้รับความร้อนจากคลื่นกระแทก ทำให้อุณหภูมิสูงถึงหลายสิบล้านองศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ก๊าซจะถูกไอออไนซ์อย่างสมบูรณ์และเปล่งแสงในรูปของรังสีเอกซ์

ปัญหาการไหลเย็นคืออะไร?

ในแกนกลางของกระจุกดาราจักรที่มีความหนาแน่นสูง ก๊าซจะแผ่พลังงานออกไปอย่างรวดเร็วจนควรจะเย็นตัวลงและก่อตัวเป็นดาวฤกษ์จำนวนมาก แต่การสังเกตการณ์กลับพบว่ามีการเย็นตัวเช่นนี้น้อยมาก การแก้ไขปัญหานี้คือพลังงานที่ถูกฉีดโดยหลุมดำกลางจะให้ความร้อนแก่ก๊าซอีกครั้ง ซึ่งป้องกันการไหลเย็นที่คาดการณ์ไว้