Portrait Of a Mean Galaxy Cluster in X-Rays

Скопления галактик — самые крупные гравитационно связанные системы во Вселенной. В оптическом диапазоне они «выглядят» как повышенная концентрация эллиптических галактик на небольшом участке неба. Массивные скопления галактик могут содержать тысячи галактик. При этом пространство между ними кажется пустым.

Но в рентгеновском диапазоне длин волн это пространство заполнено горячим газом, простирающимся до… Вот здесь начинается самое интересное.

Сравнение свойств внешних областей скоплений с теоретическими предсказаниями — это важный тест модели формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Проблема лишь в том, чтобы эти свойства измерить.

До запуска телескопа eROSITA на борту обсерватории «Спектр-РГ» индивидуальные скопления достаточно надежно наблюдали на расстояниях до R500 (радиуса, в пределах которого средняя плотность вещества в скоплении в 500 раз превышает критическую плотность Вселенной). Но из-за малого поля зрения телескопов на построение полных карт близких скоплений приходилось тратить миллионы секунд дорогостоящего наблюдательного времени. Более того, зная только одно скопление, сложно делать выводы о свойствах газа на периферии скоплений в целом.

С одной стороны, действительно, скопления галактик — самоподобные структуры, их радиальные профили плотности газа, температуры, энтропии похожи друг на друга по форме, но с другой стороны, каждое скопление уникально, со своей историей и местом формирования, что не позволяет обобщать характеристики отдельно взятого объекта на всю популяцию. В численном моделировании формирования крупномасштабной структуры Вселенной можно просто усреднить свойства десятков и сотен скоплений. В наблюдениях это сделать гораздо сложнее.

С запуском СРГ/еРОЗИТА и построением рентгеновской карты всего неба, в руках астрономов появился мощный инструмент для таких исследований. Что немаловажно, СРГ/еРОЗИТА сканирует небо (и скопления галактик, в частности) с достаточно высокой чувствительностью и одинаковым пространственным разрешением. Фактически, это эквивалентно наблюдению скоплений телескопом с неограниченным размером поля зрения. Теперь астрофизики имеют возможность «проследить» индивидуальное скопление до столь угодно большого радиуса, пока излучение от него не сольется с фоном. А далее можно усреднить свойства многих скоплений и построить их «общий портрет» — распределения свойств горячего газа на разных расстояниях от центра скопления.

Именно эта возможность была использована Натальей Лысковой, сотрудницей отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, и её коллегами. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Используя данные обзора всего неба и выборку из примерно 40 скоплений галактик с известными массами и красными смещениями, исследователи получили усредненное изображение скопления галактик. Предварительно приведя все скопления к одной массе и одному угловому размеру и убрав рентгеновские источники, не связанные со скоплением, все изображения индивидуальных скоплений были «сложены» вместе. Такой подход увеличивает эффективное время наблюдений, что позволяет надежнее детектировать сигнал на больших расстояниях от центра скопления, а также минимизирует вклад особенностей отдельных скоплений.

Итоговое изображение показано на рисунке, где фон изображения (справа) выглядит исключительно ровным и однородным. Это позволят выделить слабое рентгеновское излучение (на уровне менее 1% от фона) на больших расстояниях от центра скопления.

Из полученного изображения «усредненного» скопления был получен профиль плотности газа, то есть его значение в зависимости от расстояния до центра скопления. Излучение от скопления удалось детектировать вплоть до трех расстояний R500 (вертикальная штриховая линия на графике) — на рекордно большом удалении от центра. К примеру, на основе данных рентгеновской обсерватории XMM-Newton (ESA) была изучена область до ~ (1-1.5) R500 (см. работу Pratt et al 2022; зеленая кривая на графике). Более того, вместе с измерениями профиля давления можно сразу получить и профили температуры и энтропии газа, если использовать эффект Сюняева-Зельдовича.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.