Бурная жизнь скоплений галактик

Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (также известное как Кома) — особенное. Оно очень массивное — содержит тысячи галактик, и близкое — находится на расстоянии менее 100 Мпк. Это первый объект, в котором было установлено присутствие «темной материи» (скрытой массы). Это сделал астрофизик Фриц Цвикки в 1933 году. В 1950-х годах оно стало первым скоплением, в котором обнаружили диффузное радиогало.

В конце 1960-х годов возникла идея, что «темной материей» может быть горячий межгалактический газ. И действительно вскоре горячий газ в Коме был обнаружен первым рентгеновским спутником Uhuru (NASA). Более того, оказалось, что именно горячий газ составляет почти 80% всего нормального «барионного» вещества, в то время как звезды и галактики скопления Кома содержат не более 20% барионов скопления (барионы — семейство элементарных частиц, к которому относятся в том числе ядерные частицы протоны и нейтроны).

Но и горячего газа оказалось недостаточным для объяснения феномена «темной материи» — последней всё равно должно было быть гораздо больше. Полная масса барионов в горячем газе и в звездах скопления галактик не превышает 15 % от полной массы скопления.

Рентгеновские наблюдения пока не решили полностью проблемы «темной материи», но существенно обогатили знания астрофизиков о том, что происходит в скоплениях галактик. Благодаря рентгеновской астрономии можно определять плотность, температуру и другие свойства горячего газа, заполняющего скопление, «видеть», как он распределен в пространстве. Наблюдения же за самим горячим газом стали важнейшим источником информации и о параметрах невидимого «темного» вещества. Именно оно определяет гравитационный потенциал скопления (если говорить проще, насколько сильно скопление «притягивает» к себе вещество) и то, как в нем распределен сам горячий газ.

Кроме множества источников (в основном, это далекие активные ядра галактик), выделяются два ярких диффузных пятна, которые соответствуют основному скоплению и группе галактик NGC 4839 (справа внизу от центра). Скопление и группа находятся в процессе слияния. На самом деле, NGC 4839 уже однажды прошла через ядро основного скопления насквозь и вот-вот снова начнет «падать» обратно на центр.

Численное моделирование позволяет предсказать некоторые явления, связанные с этим конкретным этапом слияния, которые можно наблюдать. Головная ударная волна, созданная группой NGC 4839 во время ее первого прохода (примерно миллиард лет назад), теперь должна располагаться на окраине скопления, а газ, вытесненный из ядра основного скопления, должен падать обратно, образуя «вторичную» ударную волну. Новые данные позволяют предположить, что структура длиной в несколько мегапарсек, наблюдаемая справа от ядра, представляет собой именно «вторичную» ударную волну. На рисунке показано соответствие между численными гидродинамическими расчетами и наблюдениями телескопа СРГ/eROSITA.

Еще одно интересное следствие сценария слияния состоит в том, что радиогало, ограниченное вторичной ударной волной, фактически прошло через две ударные волны — первый раз через головную ударную волну, вызванную первым пролетом NGC 4839 через ядро Комы со скоростью порядка 3500 километров в секунду, и совсем недавно — через вторичную ударную волну. Этот процесс, сопровождающийся ускорением частиц и сжатием газа, способен замедлить быстрое «старение» релятивистских частиц в радиогало, теряющих энергию из за синхротронных потерь в магнитном поле на радиоизлучение и на обратное комптоновское рассеяние на фотонах реликтового излучения.

«Возможно, что и в других скоплениях, имеющих радиогало, работает подобный механизм, — говорит академик Евгений Чуразов, ведущий автор статьи. — А наша следующая задача — это исследовать самые внешние области скопления, где газ, падающий на Кому, тормозится на ударной волне и становится частью скопления».

Астрономам хорошо известно и замечательное изображение Комы в микроволновом диапазоне длин волн, полученное обсерваторией Planck (ESA).

Из-за эффекта Сюняева-Зельдовича яркость реликтового излучения понижена в направлении на скопление с горячим газом. Изображение Комы в микроволновых лучах очень похоже на рентгеновское, полученное телескопом СРГ/eROSITA. Но рентгеновский поток скопления и амплитуда эффекта Сюняева-Зельдовича по-разному зависят от плотности и температуры газа. Это открывает возможность оценить температуру горячего газа по отношению яркостей в двух различных диапазонах длин волн.

Соотношение между изображениями, полученными телескопами СРГ/eROSITA и Planck, дает представление о карте температуры газа (рис. 4). Такие измерения температуры не требуют какой-либо спектральной информации в рентгеновском диапазоне. Это достаточно неожиданный, на первый взгляд, метод. Он использует только поверхностную «отрицательную» яркость скопления в микроволновых лучах и поверхностную яркость рентгеновского излучения в диапазоне 0.4–2 кэВ, где телескоп СРГ/eROSITA имеет высокую чувствительность, а фотоны имеют энергии значительно ниже измеряемой температуры. Также, чтобы получить карту распределения температуры, необходимо знать (или предположить) распределение плотности газа в скоплении.

Как и ожидалось в рамках обсуждаемого сценария слияния, ядро основного скопления горячее (температура близка к 100 миллионам градусов), в то время как менее массивная группа NGC 4839 способна удерживать часть своего более чем в 3 раза холодного газа. Это показано на рис. 4 как область синего цвета в правом нижнем углу от ядра.

«Первая статья по длительным наблюдениям скопления галактик Кома уже направлена в журнал и опубликована в виде астро-препринта, — говорит научный руководитель обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев. — Работа над данными этих наблюдений продолжается и обещает немало новых интересных результатов о физике скопления и поведении темного вещества в нем.

Скопление Кома — это самое глубокое поле, исследованное российским консорциумом обсерватории «Спектр-РГ» в ходе ее перелета с Земли в точку L₂. Глубина этого поля позволяет детально исследовать не только интереснейшее скопление Кома, но и искать в рентгеновских лучах проявления других астрономических объектов, входящих в окружающее его сверхскопление галактик Кома. А это сверхскопление содержит более 3000 галактик.

Ну и, конечно же, мы надеемся открыть на периферии этого поля (вне пределов яркого скопления на рис.1) квазары — аккрецирующие сверхмассивные черные дыры на больших красных смещениях, а также увидеть и нанести на карту неба немало далеких скоплений галактик, находящихся далеко за скоплением Кома на рекордных расстояниях».

***

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 (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. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.