Астрономи виявили в ранньому Всесвіті надзвичайно гаряче скупчення галактик, яке змушує замислитися, чи правильно ми уявляємо собі, як зростають і змінюються найбільші космічні структури. Воно існувало лише через 1,4 мільярда років після Великого вибуху – тобто тоді, коли Всесвіту було менше ніж 10% від його сучасного віку, – але вже мало розпечене міжгалактичне середовище, яке за теперішніми теоретичними розрахунками просто не встигає “розгорітися” так рано.
Незвично гаряче скупчення в юному Всесвіті
Про відкриття команда дослідників повідомила 5 січня в журналі Nature. Об’єкт, що викликав подив, має технічну назву SPT2349-56. Це молоде, але надзвичайно активне скупчення галактик, світло від якого вирушило до нас, коли Всесвіту було приблизно 1,4 мільярда років. Для порівняння: нині вік Всесвіту оцінюють у близько 13,8 мільярда років.
За космічними мірками SPT2349-56 доволі компактне – приблизно розмірів зовнішнього гало Чумацького Шляху. Гало – це розріджена сферична оболонка темної матерії й зірок, що оточує спіральні галактики, зокрема й нашу. Попри відносно невеликі розміри, у цьому скупченні вже налічують понад 30 активних галактик і щонайменше три надмасивні чорні діри. Темпи народження зірок вражають: вони більш ніж у 5 000 разів вищі, ніж у нашій галактиці.
Саме така шаленa активність і стала підозрілим сигналом для дослідників: за нашими уявленнями, подібні скупчення мали б досягати такої “дорослої” стадії значно пізніше.
Що таке скупчення галактик і чому вони важливі
Скупчення галактик – це гігантські гравітаційні “острови”, що об’єднують сотні або й тисячі галактик, занурених у темну матерію та гарячий газ. Між окремими галактиками лежить розріджене середовище, відоме як внутрішньоскупчинне середовище – це переважно газ, розпечений до мільйонів градусів. Саме цей газ випромінює рентгенівське випромінювання та взаємодіє з реліктовим випромінюванням, залишком Великого вибуху.
Співавтор дослідження, астрофізик Скотт Чепмен з Університету Далхаузі в Канаді, наголошує: розуміння скупчень – це шлях до розуміння наймасивніших галактик у Всесвіті. Найбільші з них зазвичай “живуть” саме в таких скупченнях, і їхня доля тісно пов’язана з екстремальним середовищем – зокрема з гарячим газом у міжгалактичному просторі. Тиск, нагрівання, вибухи наднових і спалахи активних надмасивних чорних дір разом формують, “гартують” ці гігантські системи.
За традиційними моделями, внутрішньоскупчинне середовище нагрівається повільно – унаслідок гравітаційних зіткнень галактик і газових хмар, а також завдяки енергії від молодих зірок і чорних дір, що поступово викидають у простір потужні потоки частинок. Тому очікується, що в ранньому Всесвіті скупчення будуть холоднішими, відносно “спокійнішими” структурами, ніж ті, які ми бачимо ближче до нашого часу.
SPT2349-56 демонструє протилежну картину: температура газу у цьому молодому скупченні виявилася в рази вищою, ніж дозволяють традиційні розрахунки.
Як астрономи розгледіли перегрітий газ
Роль ALMA в пустелі Атакама
Спостереження SPT2349-56 здійснили за допомогою Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – одного з найпотужніших радіотелескопів на планеті. ALMA розташована на високогірному плато Чахнантор в чилійській пустелі Атакама, на висоті понад 5 000 метрів над рівнем моря. Ця місцевість відома як одна з найсухіших на Землі: відсутність вологи та чисте повітря ідеальні для спостережень у міліметровому та субміліметровому діапазонах, де навіть невелика кількість водяної пари може спотворити сигнал.
ALMA складається з десятків антен, які працюють разом як єдина інтерферометрична система. Завдяки цьому вчені отримують високу роздільну здатність і здатні розрізняти деталі далеких об’єктів, які в оптичних телескопах виглядали б лише тьмяними цятками.
Тепловий ефект Сюняєва – Зельдовича
Щоб оцінити температуру газу в SPT2349-56, команда застосувала явище, відоме як тепловий ефект Сюняєва – Зельдовича. Це явище було передбачене радянським астрофізиком Рашидом Сюняєвим і білорусько-радянським фізиком Яко́вом Зельдовичем ще у 1970-х роках. Воно ґрунтується на взаємодії реліктового випромінювання – мікрохвильового “фону” від Великого вибуху – з гарячими електронами внутрішньоскупчинного газу.
Коли фотони реліктового випромінювання пролітають крізь розпечений газ у скупченні, вони стикаються з електронами та отримують від них додаткову енергію. Це злегка змінює спектр реліктового випромінювання саме в напрямку скупчення. Вимірявши ці тонкі зміни за допомогою чутливих інструментів, астрономи можуть оцінити температуру й густину гарячого газу, навіть якщо саме скупчення дуже віддалене.
У випадку SPT2349-56 сигнал виявився набагато потужнішим, ніж очікували. Співавтор роботи Дачжи Чжоу, аспірант кафедри фізики й астрономії Університету Британської Колумбії у Ванкувері, зізнається, що спершу поставився до результату з недовірою – сигнал здавався занадто сильним, щоб бути справжнім. Але повторні перевірки підтвердили: газ у молодому скупченні справді “розігрітий” принаймні у п’ять разів сильніше, ніж передбачають теоретичні моделі для такого віку.
Роль надмасивних чорних дір і вибухового народження зірок
Як пояснити настільки надмірне нагрівання газу на такій ранній стадії? Одна з головних підозр падає на надмасивні чорні діри, виявлені в цьому скупченні. За словами Скотта Чепмена, саме три нещодавно знайдені надмасивні чорні діри в центрі SPT2349-56, ймовірно, стали потужним джерелом енергії, яке “роздмухало” внутрішньоскупчинне середовище.
Надмасивні чорні діри – це об’єкти з масою мільйони або мільярди мас Сонця, які зазвичай розташовані в центрах галактик. Коли газ та пил падають на чорну діру, вони утворюють акреційний диск – розжарену структуру, з якої вириваються високоенергетичні струмені частинок. Такі активні ядра можуть впливати на всю навколишню галактику, а в масштабі скупчення – і на міжгалактичний газ.
У SPT2349-56 ситуація ще драматичніша: інтенсивне зореутворення поєднується з активністю одразу кількох надмасивних чорних дір. Кожна нова зірка, кожен вибух наднової, кожен спалах у ядрі галактики додає енергії в навколишній газ. Якщо ці процеси відбуваються синхронно й у надзвичайно щільному середовищі, результатом може бути “перегрів” скупчення набагато раніше, ніж очікувалося.
Виклик для сучасних космологічних моделей
Те, що дослідники бачать в SPT2349-56, вказує: формування скупчень галактик може відбуватися швидше й агресивніше, ніж передбачають найпоширеніші комп’ютерні симуляції. Якщо молоді скупчення вже мають такий гарячий газ, значить, або темпи зореутворення й росту чорних дір у ранньому Всесвіті були вищі, ніж вважалося, або ж у моделях бракує важливої фізики – наприклад, точнішого опису взаємодії випромінювання, газу й темної матерії.
Космологічні симуляції, які відтворюють еволюцію Всесвіту від ранніх епох до сьогодення, зазвичай налаштовують так, щоб вони відтворювали статистичні властивості скупчень, спостережуваних нині: їхню масу, температуру газу, розподіл галактик. SPT2349-56 виявився “невигідним” об’єктом: він не вписується в типову картину, де нагрівання газу має бути поступовим і розтягнутим на мільярди років.
Якщо подібні перегріті скупчення в ранньому Всесвіті виявляться не поодинокими, а відносно поширеними, дослідникам доведеться оновлювати моделі й розрахунки. Це може змінити наші оцінки того, як швидко наростала структура у Всесвіті, коли формувалися перші гігантські скупчення та як рано надмасивні чорні діри почали активно впливати на своє довкілля.
Наступні кроки: що планують дослідники
Команда, що працює з SPT2349-56, збирається уважніше дослідити взаємодію між трьома основними чинниками в цьому скупченні: шаленим темпом народження зірок, активними надмасивними чорними дірами та перегрітим внутрішньоскупчинним газом. Астрофізики хочуть зрозуміти, як саме енергія від чорних дір і вибухів наднових розподіляється в компактній системі, що ще тільки набирає масу.
Дачжи Чжоу формулює головне запитання так: як може в настільки молодій і стисненій системі одночасно відбуватися стільки різних потужних процесів – від бурі зореутворення до надзвичайно гарячого газу, – і як усе це разом впливає на майбутню долю скупчення? Від відповіді на це запитання залежить не лише історія конкретного об’єкта SPT2349-56, а й наше розуміння того, як із подібних “згустків” матерії постали нинішні велетенські скупчення галактик, які ми спостерігаємо по всьому небі за допомогою наземних обсерваторій і космічних телескопів.
