Орбитальная обсерватория «Планк», проводя обзор всего неба в микроволновом диапазоне, обнаружила неизвестное ранее сверхскопление галактик по эффекту Сюняева — Зельдовича — эффекту рассеяния фотонов реликтового фона на электронах горячего межгалактического газа. Дальнейшие наблюдения с помощью рентгеновской орбитальной обсерватории XMM-Newton (ЕКА) показали, что новое сверхскопление содержит по меньшей мере три массивных скопления галактик, в каждом из которых находится порядка тысячи галактик.
Скопления и сверхскопления галактик — самые крупные и массивные динамически связанные объекты в нашей Вселенной. Они интересны как астрофизикам, так и — в большей степени — космологам, поскольку именно по ним восстанавливают крупномасштабную «ячеистую» структуру Вселенной и, как следствие, распределение массы как видимого, так и невидимого вещества (темной материи). Чем лучше известно расположение скоплений в пространстве и, соответственно, во времени, тем точнее можно восстановить эволюцию Вселенной и измерить уравнение состояния темной энергии.
Из этой общей преамбулы также неявно следует, что искать такие объекты непросто, поскольку они обычно находятся далеко от земных наблюдателей. Для исследования скоплений и сверхскоплений лучше всего подходят рентгеновские телескопы, так как именно в этом диапазоне излучает горячий газ в скоплениях. Но рентгеновским телескопам с хорошим разрешением и чувствительностью (и, как правило, маленьким полем зрения) нужна «предварительная» наводка на потенциально интересный участок неба. Чтобы определить этот «участок», используется эффект Сюняева — Зельдовича (в англоязычных текстах также часто употребляют аббревиатуру SZE).
Этот эффект в 1970 г. теоретически предсказали Я.Б. Зельдович и Р.А. Сюняев. Суть его состоит в том, что фотоны реликтового излучения при взаимодействии со свободными электронами горячего газа рассеиваются на них таким образом, что энергия «выходящих» фотонов оказывается несколько больше, чем в среднем у реликтового излучения. Таким образом, в направлении на скопление наблюдатель должен увидеть меньше низкоэнергичных фотонов и больше — высокоэнергичных, чем в среднем по небу. В результате скопления с горячим газом должны проявлять себя как «отрицательные» источники излучения — «дырки» на радиокартах неба на низких частотах и как «нормальные» источники — на высоких. «Порог» же между избытком и недостатком находится на частоте 217 гигагерц: на картинке, полученной на этой частоте, скопление никак не проявит себя по сравнению с фоном. В итоге скопление галактик оставляет своеобразный «маркер» на картине микроволнового излучения, который можно использовать для поиска новых скоплений и сверхскоплений.
Этот эффект, теоретически рассчитанный более 40 лет назад, довольно долгое время не поддавался экспериментальной проверке, поскольку чувствительность существовавших в то время инструментов была слишком мала. Лишь в 90-е годы прошлого века радиоинтерферометры в Калифорнии начали находить искомые «дырки» на картах неба в направлении на известные скопления. С появлением новых специализированных радиотелескопов (как, например, South Pole Telescope на Южном полюсе, Atacama Cosmology Telescope в Андах, SZ-Array в Калифорнии и др.) стало возможным использовать эффект Сюняева — Зельдовича для поиска неизвестных ранее скоплений и для определения космологических параметров. Благодаря ему были открыты десятки скоплений на больших красных смещениях, которые нельзя было обнаружить другими способами. Ведь у эффекта есть еще одно замечательное свойство — глубина «дырки» на карте фона, и спектр эффекта не зависят от красного смещения, на котором находится скопление. Скопления можно увидеть на сколь угодно далеких расстояниях, важно лишь, чтобы они уже существовали в то время. Но, несмотря на полученные замечательные результаты, наземные установки так или иначе «страдают» от помех, связанных с излучением атмосферы Земли, так что на длинах волн короче 1,5 мм более качественные данные можно получить только с орбиты.
Цель орбитальной обсерватории «Планк» (запуск 2009 г.) — обзор всего неба в микроволновом диапазоне, и в том числе, поиск интересных объектов по эффекту Сюня-ева — Зельдовича. С учетом этого были выбраны и характеристики приборов. Два детектора обсерватории (HFI — High Frequency Instrument и LFI — Low Frequency Instrument) способны строить изображение в девяти частотных каналах, в том числе на частоте 217 ГГц — именно там, где, согласно предсказанию, сигнал от скопления галактик должен «исчезнуть».
Первые данные «Планка» принесли сразу два результата. В качестве примера высокой чувствительности детекторов в пресс-релизе ESA приводятся данные наблюдений двух хорошо известных скоплений: скопления в «Волосах Вероники» и скопления Abell 2319. На изображениях, полученных обсерваторией (рис. 1), хорошо видны избыток высокоэнергичных и дефицит низкоэнергичных фотонов, причем «граница» между ними находится на частоте 217 ГГц. Но гораздо более интересным и многообещающим оказался другой: благодаря данным «Планка» было открыто новое сверхскопление галактик (а эти обьекты очень редки, и такое открытие, говоря по-журналистски, можно назвать сенсацией).
Затем на эту область неба была наведена орбитальная рентгеновская обсерватория XMM-Newton (ESA), которая и подтвердила открытие нового сверхскопления (сравнение изображений «Планка» и XMM-Newton — на рис. 2). По данным «Планка», в новое сверхскопление входит как минимум три скопления, в каждом из которых «прячется» порядка тысячи галактик. Наблюдаемый «Планком» эффект — сумма вкладов всех трех скоплений; кроме этого, влияние может оказывать и горячий газ, находящийся между скоплениями. Все это в целом дает ученым важную информацию для понимания крупномасштабного распределения вещества. Команда «Планка» до сих пор не раскрыла координаты этого обьекта и его красное смещение. Очевидно, что идет тщательное изучение его свойств с помощью крупнейших оптических телескопов.
Более того, это стало первым в мире открытием сверхскопления по эффекту Сюняева — Зельдовича, что важно и как подтверждение правоты ученых, предсказавших этот феномен более 40 лет назад, и как доказательство эффективности нового метода изучения крупномасштабной структуры Вселенной.
«Сверхскопления крайне трудно распознать, и это открытие очень обнадеживает — оно открывает новые пути поиска динамически связанных объектов в крупномасштабной структуре Вселенной», — комментирует результат «Планка» Марат Гильфанов, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН.
Для команды ученых, работающих над данными «Планка», первое открытие стало в некотором смысле «боевым крещением». В июне с.г. обсерватория закончила первый обзор всего неба (за время работы обсерватории планируется провести еще как минимум четыре), данные которого сейчас обрабатываются. Очевидно, что все известные массивные и яркие скопления уже должны быть промерены в ходе этого обзора неба. Скорее всего, открыты и новые, неизвестные ранее скопления. К январю 2011 г. команда «Планка» собирается подготовить предварительный каталог объектов, обнаруженных с помощью эффекта Сюняева — Зельдовича. Впереди у ученых еще много работы. Данные «Планка» будут прежде всего сравниваться с уже известными скоплениями галактик (в частности, по каталогу ROSAT). Затем, если соответствия не обнаружится, на этот участок неба будет наведен XMM-Newton. Совместная работа двух аппаратов оказалась столь успешной, что, вероятно, будет продолжена. Кроме этого, XMM-Newton необходим для изучения более тонких деталей сверхскоплений и распределения горячего газа, что важно уже для понимания распределения вещества во Вселенной. К наблюдениям вновь открытых объектов будут подключены и крупные оптические телескопы: наблюдения галактик, входящих в скопления, позволяют определить их красное смещение. Главная цель — определить зависимость пространственной плотности скоплений от красного смещения и темп возникновения этих гигантских объектов в ходе расширения Вселенной. Этот темп зависит от основных параметров Вселенной: постоянной Хаббла, неизвестных до конца свойств темной энергии и плотности темного вещества. Наблюдения скоплений открывают еще один путь к определению этих важнейших параметров.
Ольга Закутняя