Можно ли использовать свет, возникший почти 14 миллиардов лет назад, чтобы узнать, как движется газ между галактиками сегодня? Оказывается, древнейшее излучение Вселенной способно рассказать не только о Большом взрыве, но и о процессах внутри современных космических структур. Физики из Колумбийского университета обнаружили в реликтовом излучении слабый сигнал, указывающий на движение огромных масс горячего газа в скоплениях галактик. Причём речь идёт о движении, которое практически невозможно увидеть обычными телескопами.
Реликтовое излучение представляет собой электромагнитный свет, сохранившийся с эпохи, когда возраст Вселенной составлял приблизительно 380 тысяч лет. До этого пространство было заполнено горячей ионизированной плазмой, непрерывно рассеивавшей фотоны. Когда температура достаточно снизилась, электроны смогли соединиться с атомными ядрами, и излучение получило возможность свободно распространяться. За миллиарды лет расширение Вселенной растянуло его волны до микроволнового диапазона.
Сегодня это излучение приходит практически со всех направлений и имеет среднюю температуру около 2,725 кельвина, то есть лишь немного выше абсолютного нуля. Однако оно не совершенно однородно. Спутники, включая европейский Planck, обнаружили мельчайшие различия температуры, отражающие условия ранней Вселенной. Именно по этим неоднородностям космологи восстанавливают историю образования галактик и распределения вещества.
Но на пути к Земле древние фотоны проходят через множество более молодых структур. Среди них находятся скопления галактик — гигантские системы, объединяющие сотни и тысячи галактик, горячий межгалактический газ и тёмную материю. Их размеры могут достигать миллионов световых лет, а общая масса превышать массу Солнца в сотни триллионов раз. Несмотря на кажущуюся пустоту между галактиками, значительная часть обычного вещества скопления находится именно в разреженном газе.
Температура этого газа нередко достигает десятков миллионов градусов. При таких условиях атомы теряют электроны, образуя плазму. Свободные электроны способны рассеивать проходящие через скопление фотоны реликтового излучения, немного изменяя его наблюдаемые свойства. Это взаимодействие известно как эффект Суняева — Зельдовича, названный в честь советских астрофизиков, предсказавших его в XX веке.
Существует несколько разновидностей этого эффекта. Тепловой эффект возникает благодаря передаче энергии от горячих электронов фотонам. Кинематический эффект связан с движением самого газа относительно наблюдателя. Если электроны движутся в нашем направлении или от нас, рассеянное излучение приобретает небольшое изменение эффективной температуры. По существу, движение газа оставляет едва заметный доплеровский след на древнейшем свете Вселенной.
Особенно интересен случай, когда газ внутри скопления вращается. Тогда одна его сторона может двигаться преимущественно к Земле, а противоположная — от неё. В результате на карте реликтового излучения должна возникать характерная двухполюсная структура, называемая диполем. Одна область выглядит немного теплее, другая — холоднее. Это не означает, что температура самого газа различается именно таким образом: измеряется изменение микроволнового сигнала.
Такой эффект называют вращательным кинематическим эффектом Суняева — Зельдовича, или rkSZ. Его существование было предсказано теоретически, однако обнаружение чрезвычайно затруднено. Температурные различия настолько малы, что их легко скрывают первичные флуктуации реликтового излучения, другие астрофизические источники и инструментальный шум. Даже крупное скопление галактик обычно не позволяет уверенно выделить этот сигнал при отдельном наблюдении.
Самуэль Голдштейн и Дж. Колин Хилл из Колумбийского университета предложили объединить наблюдения нескольких скоплений. Исследователи выбрали 25 систем, каждая из которых включала не менее 50 известных галактик. Для определения предполагаемого направления внутреннего движения они использовали сведения о галактиках из обзора Sloan Digital Sky Survey. Затем сопоставили эти данные с картами реликтового излучения, полученными спутником Planck.
Главная сложность заключалась в правильном совмещении изображений. Скопления имеют разные размеры, расположены на различных расстояниях и обладают неодинаковой ориентацией. Поэтому исследователи выделяли фрагмент карты вокруг каждого скопления, приводили его к сопоставимому масштабу и поворачивали согласно предполагаемой оси вращения. После этого изображения усредняли, чтобы слабый общий сигнал усиливался, а случайные помехи частично компенсировались.
Дополнительно физики применили статистическое взвешивание наблюдений и использовали информацию о поляризации реликтового излучения для уменьшения шума. Это позволило повысить чувствительность анализа без строительства нового телескопа. Подобный подход напоминает попытку расслышать тихий звук, многократно записанный на фоне шума: если точно совместить полезные сигналы, их общие особенности становятся заметнее.
На объединённой карте действительно проявилась ожидаемая дипольная структура. Одна сторона исследуемых скоплений демонстрировала небольшое положительное отклонение температуры реликтового излучения, другая — отрицательное. Статистическая значимость результата составила 3,6 сигма. Это означает, что вероятность получить столь же сильный сигнал при использованной авторами модели случайного фона оказалась очень небольшой — приблизительно 0,02%.
Однако уровень 3,6 сигма ещё не соответствует традиционному для физики порогу окончательного открытия в пять сигма. Кроме того, обнаруженный сигнал не обязательно означает согласованное вращение каждого скопления как единого объекта. Похожую картину могут создавать сложные газовые потоки, возникающие при столкновениях и слияниях галактических скоплений. Поэтому исследователи осторожно интерпретируют результат как свидетельство внутренних движений газа, согласующееся с вращательным эффектом.
Почему это открытие важно? Скопления галактик постоянно изменяются. Они притягивают окружающее вещество, сталкиваются друг с другом и постепенно объединяются в более массивные системы. Во время таких событий газ сжимается, нагревается, образует турбулентные потоки и перераспределяет энергию. Понимание этих процессов необходимо для точного описания эволюции крупнейших гравитационно связанных структур Вселенной.
До сих пор движение горячего газа изучали преимущественно по рентгеновскому излучению и другим наблюдаемым характеристикам. Кинематический эффект Суняева — Зельдовича предоставляет дополнительную возможность: он позволяет исследовать движение электронов непосредственно через их воздействие на фоновое микроволновое излучение. При этом сигнал зависит от распределения газа и его скорости вдоль луча зрения, что делает его особенно ценным дополнением к существующим методам.
В дальнейшем учёные рассчитывают использовать новые данные спектроскопического проекта DESI и обсерватории Саймонса. Более подробные карты галактик и реликтового излучения помогут исследовать большее число скоплений и различать устойчивое вращение газа и беспорядочные потоки, вызванные слияниями. Это позволит проверить результаты Голдштейна и Хилла и уточнить физическую картину движения вещества.
Самое удивительное в исследовании заключается в том, что древнейшее излучение Вселенной выступает своеобразным космическим измерительным прибором. Фотоны, отправившиеся в путешествие задолго до появления первых звёзд, взаимодействуют с горячим газом современных скоплений и сохраняют слабые следы этих встреч. Анализируя такие изменения, астрономы получают возможность изучать невидимые движения вещества на расстояниях в миллиарды световых лет. Реликтовое излучение оказывается не только свидетельством рождения Вселенной, но и инструментом исследования её продолжающейся эволюции.
А затем «Добавить на главный экран».
