Вторая крупная карта рентгеновского неба, созданная космическим телескопом eROSITA, содержит почти два миллиона источников рентгеновского излучения. Среди них — десятки тысяч протяженных объектов, включая скопления галактик, близкие галактики и остатки сверхновых. Но особенно интересным оказался один объект: массивное скопление галактик Abell 3266, на окраинах которого удалось впервые измерить чрезвычайно слабое рентгеновское свечение горячего газа.
Полученные данные подтвердили общую картину формирования крупномасштабной структуры Вселенной, но одновременно выявили несоответствие с теоретическими моделями. Газ на внешних границах скопления и в соединяющей его с соседней группой галактик нити оказался одновременно более горячим и более плотным, чем ожидалось. При этом в нем сравнительно мало тяжелых элементов.
Такое сочетание свойств представляет проблему для существующих представлений о том, как вещество поступает в формирующиеся скопления галактик, нагревается и смешивается с уже существующим газом.
Рентгеновская карта почти двух миллионов источников
Телескоп eROSITA был запущен в 2019 году на борту космической обсерватории «Спектр-РГ». Его главной задачей стало проведение широкого обзора рентгеновского неба.
Рентгеновское излучение особенно ценно для изучения горячего газа и высокоэнергичных процессов. В видимом диапазоне многие области Вселенной выглядят совершенно иначе, поскольку их излучение определяется преимущественно звездами. Рентгеновский телескоп позволяет увидеть другую составляющую космической материи — чрезвычайно горячий газ, активные ядра галактик, остатки взрывов звезд и другие источники высокоэнергичного излучения.
Вторая публикация данных eROSITA, полученная после трех полных обзоров неба, содержит почти два миллиона рентгеновских источников в западной половине небесной сферы. Это примерно вдвое больше источников, чем в первом наборе данных.
Около 1,9 миллиона из них выглядят для телескопа точечными источниками. Среди них преимущественно находятся звезды и сверхмассивные черные дыры, активно поглощающие окружающее вещество. Еще примерно 64 тысячи объектов имеют протяженную структуру. К ним относятся скопления галактик, близкие галактики и остатки сверхновых.
Таким образом, новая карта представляет собой не просто каталог отдельных космических объектов. Она позволяет исследовать распределение горячего вещества по огромным масштабам и искать очень слабые структуры, которые раньше было трудно обнаружить.
Почему скопления галактик светятся в рентгеновском диапазоне
Скопления галактик являются крупнейшими гравитационно связанными структурами Вселенной.
Обычная галактика может содержать от миллионов до сотен миллиардов звезд, но скопление объединяет множество галактик в единую систему. Между галактиками находится огромное количество газа.
Именно этот газ составляет значительную часть видимой материи скопления. Он нагрет до чрезвычайно высоких температур — настолько высоких, что его излучение приходится преимущественно на рентгеновский диапазон.
Поэтому рентгеновский телескоп способен фактически «увидеть» не только сами галактики, но и огромное количество невидимого в обычном свете горячего газа между ними.
При этом скопление не имеет четкой границы. Его плотность постепенно уменьшается по мере удаления от центра. На периферии газ становится настолько разреженным, что его рентгеновское излучение чрезвычайно трудно зарегистрировать.
Именно эта область оказалась особенно интересной для исследователей.
На окраине скопления происходит самое интересное
Центральные области крупных скоплений галактик относительно хорошо изучены.
Там концентрация газа достаточно высока, поэтому его рентгеновское излучение можно наблюдать с помощью космических телескопов. Ученые могут измерять температуру, плотность и химический состав вещества.
На окраинах ситуация совершенно другая.
Газ там гораздо слабее излучает в рентгеновском диапазоне. Кроме того, внешние области находятся на границе между уже сформировавшейся структурой и окружающей космической средой.
Именно здесь в скопление поступает новое вещество.
Газ падает в его гравитационное поле, ускоряется, сталкивается с уже существующей материей и нагревается. Поэтому окраины скоплений являются своеобразной зоной, где можно наблюдать процесс роста крупномасштабных структур практически непосредственно.
До сих пор получить надежные рентгеновские измерения такого слабого свечения удавалось лишь в ограниченном числе случаев.
Abell 3266 оказался особенно полезным объектом
В новом исследовании ученые сосредоточились на скоплении галактик Abell 3266.
Это массивное скопление, которое связано с соседней группой галактик длинной нитью горячего газа.
Такие структуры особенно интересны для космологии, поскольку скопления не существуют изолированно. Они продолжают получать вещество из окружающего пространства.
Между крупными структурами Вселенной существуют огромные нити газа и темной материи. Они являются частью космической паутины — крупномасштабной структуры, сформированной под действием гравитации.
Вещество перемещается по этим структурам и постепенно поступает в галактики, группы и скопления.
В случае Abell 3266 удалось впервые измерить чрезвычайно слабое рентгеновское свечение его внешних областей и соединяющей нити горячего газа.
Именно эти измерения привели к неожиданному результату.
Газ оказался горячее и плотнее ожидаемого
Теоретические модели формирования крупномасштабной структуры достаточно хорошо объясняют общую картину.
Галактики объединяются в группы и скопления, газ поступает из окружающего пространства, гравитация ускоряет вещество, а при столкновениях и сжатии оно нагревается.
Однако детали процесса оказались сложнее.
Газ на окраинах Abell 3266 и внутри соединяющей его с соседней группой газовой нити оказался более горячим и более плотным, чем предсказывали модели.
На первый взгляд это может показаться незначительным расхождением. Но температура и плотность газа являются ключевыми параметрами, позволяющими понять, откуда вещество пришло и что с ним происходило по пути.
Если газ горячее ожидаемого, значит, он получил дополнительную энергию или нагрелся эффективнее, чем предполагает используемая модель.
Если одновременно он плотнее, необходимо учитывать и особенности распределения вещества.
Но существует еще одна деталь, которая делает ситуацию значительно интереснее.
В газе мало тяжелых элементов
Астрономы называют тяжелыми элементами все химические элементы тяжелее водорода и гелия.
Они образуются преимущественно внутри звезд и распространяются в космическое пространство в ходе звездных ветров и взрывов сверхновых.
Поэтому химический состав газа может служить своеобразной летописью его происхождения.
Если газ содержит большое количество тяжелых элементов, это означает, что он уже подвергался воздействию звездного вещества. Он мог находиться рядом с галактиками, получать материал от звездных ветров и сверхновых, смешиваться с обогащенным газом.
Если же тяжелых элементов мало, газ считается относительно первозданным.
Такой материал, вероятно, поступил из более удаленных частей космической сети и не проводил много времени в непосредственной близости от галактик.
Именно такой признак обнаружили у газа на окраинах Abell 3266.
Он оказался сравнительно бедным тяжелыми элементами.
Почему сочетание этих свойств оказалось неожиданным
Сам по себе горячий газ в скоплении галактик совершенно не удивителен.
Не является неожиданным и наличие относительно бедного тяжелыми элементами вещества на окраинах скопления.
Проблема возникает из-за сочетания двух наблюдений.
Газ имеет сравнительно низкую металличность, то есть содержит мало элементов тяжелее водорода и гелия. Это указывает на относительно слабое влияние звездного вещества и на поступление материала из внешней космической среды.
Но одновременно газ оказался горячее и плотнее, чем предполагают модели для такого материала.
Получается своеобразное противоречие.
Состав газа указывает на относительно «свежее» вещество, поступающее из космической сети, а его физические параметры свидетельствуют о том, что оно уже получило больше энергии и достигло большей плотности, чем ожидалось.
Именно это несоответствие требует дальнейшего изучения.
Космическая паутина связывает скопления галактик
Чтобы понять значение открытия, необходимо представить структуру Вселенной в больших масштабах.
Галактики распределены не равномерно.
Они образуют группы, скопления, цепочки и протяженные структуры. Между наиболее плотными областями располагаются огромные пустоты, а сами скопления соединяются нитями.
Эту структуру называют космической паутиной.
Основу ее формирования составляет гравитационное взаимодействие. Вещество постепенно концентрируется вдоль областей повышенной плотности.
Темная материя формирует крупномасштабный гравитационный каркас, а обычное вещество, состоящее из газа, звезд и других объектов, следует за ним.
Со временем небольшие структуры объединяются в более крупные.
Скопления галактик продолжают расти, поглощая группы и получая вещество из окружающей среды.
Поэтому область между Abell 3266 и соседней группой особенно важна: она позволяет изучать не только уже сформировавшееся скопление, но и процесс поступления материи в него.
Нить газа — это не пустое пространство между галактиками
Когда говорят о космической нити, легко представить практически пустую область, в которой случайно расположены галактики.
На самом деле нити космической паутины содержат вещество.
Большая часть обычной материи во Вселенной находится в форме разреженного газа. В некоторых областях этот газ может быть достаточно горячим, чтобы излучать рентгеновские фотоны.
Однако интенсивность такого излучения очень мала.
Поэтому обнаружение рентгеновского свечения космической нити является сложной задачей.
Успешное измерение Abell 3266 особенно важно именно по этой причине: ученым удалось исследовать вещество, которое находится между крупными гравитационно связанными структурами и участвует в их росте.
Где газ мог получить дополнительное тепло
Обнаруженные свойства газа заставляют рассматривать несколько физических процессов.
Когда вещество падает в гравитационное поле скопления, его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Газ движется быстрее, а затем сталкивается с окружающей материей.
При таких столкновениях могут формироваться ударные волны.
Они способны резко нагревать газ.
Кроме того, вещество может перемешиваться с уже горячим газом внутри скопления.
Еще один важный процесс связан с активными галактиками. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик иногда поглощают большое количество вещества и выбрасывают энергию в окружающую среду. Джеты и другие формы активности галактических ядер могут воздействовать на газ.
Но если газ остается бедным тяжелыми элементами, необходимо объяснить, как именно он смог нагреться до наблюдаемой температуры, не получив при этом значительного количества обогащенного звездного материала.
Именно здесь существующие модели сталкиваются с ограничениями.
Это не означает, что теория формирования Вселенной неверна
Важно отделять несоответствие отдельных параметров от полного противоречия теории.
Наблюдения eROSITA в целом согласуются с современной картиной формирования крупномасштабной структуры Вселенной.
Галактики образуют группы и скопления, скопления связаны космической паутиной, а газ поступает из окружающей среды.
Проблема обнаружилась на уровне деталей.
Модели не полностью воспроизводят наблюдаемую температуру и плотность газа в конкретной внешней области Abell 3266.
Для науки такие расхождения чрезвычайно важны.
Именно они позволяют проверить, насколько правильно описаны процессы нагревания, смешивания и движения газа.
Если расчеты систематически не соответствуют наблюдениям, приходится уточнять физические процессы, которые в них заложены.
Почему тяжелые элементы являются индикатором происхождения газа
Водород и гелий появились в основном на ранних этапах истории Вселенной.
Тяжелые элементы формировались позднее внутри звезд.
Когда звезды стареют и теряют вещество, а особенно когда массивные звезды заканчивают жизнь взрывами сверхновых, тяжелые элементы выбрасываются в окружающее пространство.
Галактики постепенно обогащают окружающий газ.
Поэтому газ, который долго взаимодействовал с галактиками, обычно содержит больше тяжелых элементов, чем материал, поступающий из относительно удаленных областей космической сети.
Это позволяет использовать металличность как своеобразный маркер истории вещества.
В Abell 3266 этот маркер указывает на сравнительно бедный тяжелыми элементами материал.
Но температура и плотность говорят о более сложной истории.
Вещество, вероятно, уже испытало значительное воздействие процессов, которые не отражаются простым увеличением содержания тяжелых элементов.
Окраины скоплений могут рассказать больше, чем их центры
Центр скопления — относительно удобное место для наблюдений.
Там много газа, он ярко излучает в рентгеновском диапазоне, а его свойства можно измерять с высокой точностью.
Но центральная область уже пережила значительную часть процессов формирования.
Газ там многократно взаимодействовал с окружающим веществом, мог перемешаться с материалом, выброшенным галактиками, и подвергаться воздействию различных источников энергии.
На окраинах ситуация другая.
Там находится материал, который только поступает в скопление.
Поэтому внешние области могут содержать информацию о том, как именно формируются крупнейшие гравитационно связанные структуры Вселенной.
Однако именно из-за слабого рентгеновского свечения исследовать их намного сложнее.
eROSITA позволил сделать шаг в эту область наблюдений.
Почему обзор всего неба оказался настолько полезным
У eROSITA была задача не просто найти отдельные интересные объекты.
Телескоп проводил систематический обзор неба.
Это принципиально отличается от наблюдений, когда астрономы заранее выбирают несколько объектов и направляют на них телескоп.
При полном обзоре можно обнаружить явления, которые изначально никто не планировал искать.
Вторая публикация данных eROSITA содержит почти два миллиона источников, и лишь небольшая часть из них становится предметом детального изучения.
Но именно такие масштабные каталоги позволяют выбирать объекты для последующего анализа.
Abell 3266 оказался одним из них.
Исследователи смогли обратиться к огромному массиву данных и искать слабые особенности в структуре рентгеновского излучения.
Это показывает значение больших астрономических обзоров: их научная ценность не ограничивается открытиями, сделанными непосредственно во время наблюдений.
Предыдущий полный рентгеновский обзор был выполнен десятилетия назад
До eROSITA единственным рентгеновским обзором всего неба был обзор, выполненный космической обсерваторией ROSAT в 1990-х годах.
После него прошло почти три десятилетия до появления нового сопоставимого по масштабу обзора.
Причина очевидна: рентгеновские наблюдения невозможно проводить с поверхности Земли в обычных условиях, поскольку атмосфера блокирует значительную часть рентгеновского излучения.
Поэтому для таких исследований необходимы космические аппараты.
За десятилетия между ROSAT и eROSITA значительно улучшились детекторы, вычислительные методы обработки данных и возможности анализа больших каталогов.
Новая карта поэтому не просто повторяет старый обзор с большей точностью. Она позволяет увидеть значительно больше источников и исследовать более слабые структуры.
Что произошло с eROSITA после начала работы
Космический телескоп начал научные наблюдения в 2019 году.
Однако с февраля 2022 года eROSITA находится в безопасном режиме и научные наблюдения с его помощью не возобновились.
Тем не менее уже полученные данные продолжают использоваться.
Это особенно важно для такого проекта, поскольку огромные массивы наблюдений могут анализироваться на протяжении многих лет.
Открытие слабого рентгеновского свечения вокруг Abell 3266 — хороший пример того, как данные масштабного обзора получают дополнительную научную ценность при детальном изучении.
Что именно предстоит изменить в моделях
Главный вопрос теперь заключается не в том, существует ли космическая паутина или растут ли скопления за счет поступления нового вещества. Эти процессы хорошо подтверждены наблюдениями.
Необходимо уточнить физику газа.
Ученым предстоит лучше понять:
как быстро газ нагревается при падении в скопление;
какую роль играют ударные волны;
насколько эффективно происходит смешивание поступающего материала с горячим газом внутри скопления;
какое влияние оказывают активные галактики;
каким образом газ сохраняет относительно низкое содержание тяжелых элементов при столь высокой температуре и плотности.
Ответы на эти вопросы позволят точнее описывать рост скоплений галактик и распределение обычной материи во Вселенной.
Abell 3266 может быть не исключением
Одна из главных задач дальнейших исследований — выяснить, насколько типично обнаруженное поведение.
Если аналогичные свойства будут найдены у других скоплений, проблема окажется систематической.
Тогда существующие модели формирования и нагревания газа потребуется серьезно уточнить.
Если же Abell 3266 окажется исключением, необходимо будет найти особенности именно этой системы, которые объясняют необычное состояние газа.
В этом отношении особенно важны дальнейшие наблюдения других скоплений и космических нитей.
Чем больше таких объектов удастся исследовать, тем легче будет отделить общую закономерность от индивидуальной особенности.
Рентгеновская астрономия позволяет увидеть невидимую часть скоплений
В обычном телескопе скопление галактик выглядит как группа светящихся галактик, разделенных огромными расстояниями.
Но большая часть обычного вещества скопления находится не внутри звезд.
Она представлена горячим межгалактическим газом.
Именно он становится главным объектом рентгеновских наблюдений.
Это меняет наше представление о том, что именно мы видим, когда наблюдаем скопление.
Оптическое изображение показывает галактики.
Рентгеновское изображение показывает горячий газ.
Совместно они позволяют восстановить значительно более полную структуру системы.
А если добавить наблюдения космической сети и распределения темной материи, становится возможным изучать формирование скопления как единого процесса.
Почти два миллиона источников — это только начало
Число источников во второй публикации eROSITA само по себе впечатляет: почти два миллиона объектов в западной половине неба.
Но для науки важен не только размер каталога.
Каждый источник может стать отдельной целью для дальнейшего исследования.
Точечные объекты могут оказаться звездами, активными галактическими ядрами или другими компактными источниками.
Протяженные объекты позволяют изучать скопления галактик, близкие галактики и остатки звездных взрывов.
А самые слабые особенности распределения рентгеновского газа могут раскрывать процессы, которые происходят на границе между сформировавшимися структурами и окружающей космической средой.
Abell 3266 показал, насколько ценными могут оказаться именно такие слабые сигналы.
Главный результат наблюдений
Наблюдения Abell 3266 не разрушили современную картину формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Напротив, они подтвердили ее в общих чертах.
Но детальное исследование внешних областей скопления выявило важное расхождение.
Газ в его окраинах и в соединяющей его с соседней группой космической нити оказался одновременно горячее и плотнее, чем ожидалось. При этом он содержит сравнительно мало тяжелых элементов, что указывает на относительно слабое воздействие звездного вещества и возможное поступление материала из более удаленных частей космической сети.
Теперь астрономам необходимо объяснить, каким образом такой газ приобрел наблюдаемые свойства.
Возможно, модели недостаточно точно описывают ударные волны и нагрев при падении вещества в гравитационное поле скопления. Возможно, большую роль играет перемешивание разных компонентов газа или воздействие галактических ядер. Не исключено и сочетание нескольких процессов.
Особенно важно, что впервые удалось получить рентгеновские данные о столь слабом газе на внешней границе крупной структуры. Именно там продолжается рост скоплений и поступает новое вещество.
Поэтому Abell 3266 оказался своеобразной лабораторией для изучения того, как Вселенная продолжает собирать материю в крупнейшие структуры.
И главный урок новой карты eROSITA заключается не в том, что современные модели формирования Вселенной перестали работать. Скорее, они подошли к следующему уровню проверки: общая картина остается верной, но реальные физические процессы на границах скоплений оказываются сложнее, чем предполагали расчеты. Почти два миллиона источников в новом рентгеновском каталоге дают астрономам возможность искать другие подобные случаи и выяснять, является ли обнаруженное несоответствие особенностью одного скопления или признаком более фундаментальной проблемы в понимании движения и нагревания вещества в космической паутине.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
