Секреты кластера пандоры. Что такое скопление галактик? Правильные скопления галактик

Международная группа астрономов из Японии и США обнаружила необычный галактический кластер, который с Земли видно только рентгеновском спектре. Специалисты говорят, что кластер уникален сразу по двум причинам: во-первых, потому что видно его только в одном диапазоне, а во-вторых, потому что состоит этот кластер исключительно из раскаленного газа, распределенного примерно равномерно по всей площади кластера.

Указанный кластер, получивший номер PKS 0745-191, удален от Земли на 1,3 млрд световых лет. Для того, чтобы изучить этот объект японскому телескопу Сузаку потребовалось проводить пять серий наблюдений, последнее из которых было завершено лишь на днях.

"Само по себе наблюдение галактических кластеров уникально, так как это самые крупные объекты во Вселенной, однако примечательно вдвойне, когда эти объекты обладают чем-то необычным", - говорит Мэттью Джордж, астроном из Университета Калифорнии в Беркли.

Изучив кластер в рентгеновском диапазоне, астрономы смогли измерить температуру и плотность газа здесь. На основании этих показателей можно определить возраст, массу и давление внутри кластера. Астрономы ожидали, что газ во внутренней части кластера находится в "расслабленном" состоянии и в полном равновесии с гравитацией кластера. Это означает, что самый раскаленный и плотный газ находится центре кластера или в непосредственной близости от центра. С удалением от центра температура и плотность должны сокращаться.

На внешних границах кластера газ должен находиться в разряженном состоянии, так как гравитация здесь меньше, а часть газа "утекает" за пределы кластера. "Кластеры - это самые массивные аморфные объекты во Вселенной, они появились очень давно и продолжают развиваться и по сей день", - говорит Энди Фабиан из Кембриджского института астрономии.

Однако в случае с "рентгеновским кластером" была зафиксирована странность - температура в центре не слишком сильно отличалась от температуры в периферийных регионах.

В самом центре кластера температура газа достигает 91 млн градусов и примерно такой же она остается на протяжении 1,1 млн световых лет в радиусе от центра. Однако на самых задворках кластера температура и плотность газа резко падают до 25 млн градусов. Общая длина кластера превышает 5,6 млн световых лет.

"Чтобы исследовать край рентгеновского кластера нам потребовались детекторы с чрезвычайно низким шумовым фоном. Сузаку с его продвинутыми рентгеновскими детекторами и сравнительно низкой орбитой полета, здесь подходит гораздо лучше других аппаратов, работающих в рентгеновском спектре", - рассказывает Мэттью Джордж.

Астрофизики обнаружили четыре ранее неизвестных галактических кластера, каждый из которых потенциально может содержать тысячи индивидуальных галактик. Эти объекты находятся на расстоянии в 10 миллиардов световых лет от Земли. Преуспели в этом исследователи из Имперского колледжа Лондона, которые придумали новый способ наблюдений за такими далекими объектами.

Модель телескопа Гершель. Источник: ESA/ AOES Medialab / NASA/ESA/STScI

Они объединили данные от астрономического спутника Планк (Planck) и космической обсерватории Гершель (Herschel) и сумели идентифицировать самые отдаленные группы галактик. Исследователи предполагают, что таким образом можно выявить до 2000 новых галактических кластеров, а так же сформировать четкое понимание их формирования.

Как известно, галактические кластеры являются самыми массивными объектами во Вселенной. Они содержат в себе сотни тысяч одиночных галактик, связанных между собой гравитационными силами. В последнее время астрономы смогли идентифицировать множество соседних галактических групп, но теперь им необходимо заглянуть еще глубже в прошлое для того, чтобы понять, как они сформировались. Свет от самой удаленной от Земли группы галактик шел до нас 10 миллиардов лет. Это означает, что телескопы показывают нам то, на что были похожи эти кластеры, когда Вселенной было всего три миллиарда лет.

Говорит ведущий исследователь доктор Дэвид Слементс из отдела физики в Имперском колледже Лондона: “Хотя мы и в состоянии видеть отдельные галактики, находящиеся дальше этих кластеров, но до сих пор самые старые группы галактик, исследованные астрономами, относятся ко времени, когда Вселенной было 4.5 миллиарда лет. Это равняется приблизительно 9.5 миллиардов лет от нас до них. Наш новый подход уже позволил нам обнаружить галактический кластер, который намного старше других, и мы предполагаем, что у этого метода есть потенциал для выявления еще более старых объектов”.

На таких больших расстояниях галактические кластеры могут быть идентифицированы по наличию галактик с огромными количествами пыли и газа, в которых формируются звезды. В результате этого процесса выделяется много световой энергии, которую фиксируют космические обсерватории. Галактики в таких кластерах разделены на две группы: эллиптические галактики, у которых много звезд, но мало пыли и газа; спиральные галактики, такие как наш Млечный путь, которые содержат много пыли и газа. Большинство галактических кластеров в настоящее время находятся “во власти” гигантских эллиптических галактик, в которых пыль и газ уже преобразовались в звезды. Это открытие было сделано с помощью ресивера спектральных и фотометрических изображений (SPIRE, Spectral and Photometric Imaging Receiver), установленного на аппарате Гершель.

Галактики имеют свойство группироваться вместе, иногда в небольшие группы, а иногда и в огромные комплексы. У большинства галактик есть спутники - либо несколько близлежащих объектов, либо крупномасштабный кластер. Другими словами, изолированные галактики встречаются довольно редко.

Типы скоплений

Существует несколько различных классификационных схем для скоплений галактик, но наиболее часто применяется самая простая. Эта схема делит кластеры на три класса: группы галактик, иррегулярные (неправильные) кластеры и сферические кластеры.

Группы галактик

Этот класс представляет собой небольшие компактные группы из 10-50 галактик смешанных типов, занимающих примерно пять миллионов световых лет. Примером такого кластера является Местная группа галактик, которая включает в себя Галактику Млечный Путь, Магеллановы Облака, Галактику Андромеды (М31) и около 50 других звездных систем, в основном карликового типа.

Иррегулярные кластеры

Иррегулярные кластеры представляют собой большие неопределенно структурированные скопления смешанных (в основном спиральных и эллиптических), общая численность которых может достигать 1000 или более, а размеры - от 10 до 50 миллионов световых лет. Галактические скопления Девы и Геркулеса являются представителями этого класса.

Сферические кластеры

Сферические кластеры плотны и состоят преимущественно из эллиптических и линзообразных галактик (S0-галактик). Они огромны, имеют линейный диаметр до 50 миллионов световых лет. Сферические кластеры могут содержать до 10 000 галактик, которые сосредоточены по направлению к центру кластера.

Распределение галактических кластеров

Скопления галактик встречаются по всему небу. Их трудно обнаружить вдоль Млечного Пути, где высокие концентрации пыли и газа Галактики затмевают практически все на оптических длинах волн. Однако даже там кластеры могут быть найдены в нескольких галактических «окнах», случайных дырах в пыли, которые позволяют проводить оптические наблюдения.

Кластеры распределены на небе неравномерно. Они расположены таким образом, который предлагает определенную организацию. Кластеры часто связаны с другими кластерами, образуя гигантские сверхскопления. Эти сверхскопления обычно состоят из 3-10 кластеров и охватывают целых 200 миллионов световых лет. Существуют также огромные области между кластерами, которые образуют пустоты. Крупномасштабные исследования лучевых скоростей галактик, проведенные в 80-е годы, выявили еще более крупную структуру. Было обнаружено, что галактики и скопления галактик имеют тенденцию выстраиваться вдоль больших плоскостей и кривых, почти как гигантские стены, с относительно пустыми пространствами между ними. Существование подобной крупномасштабной структуры обнаруживается, когда в определенных направлениях происходят отклонения от соотношения скорость-расстояние. Один из таких объектов, открытый в 1988 году, получил название «Великий аттрактор».

Взаимодействие между членами скопления

Галактики в кластерах существуют в той части Вселенной, плотность которой намного выше средней, и в результате у них есть несколько необычных особенностей. Во внутренних областях плотных скоплений существует очень мало нормальных . Эта особенность, вероятно, является результатом довольно частых столкновений между близко расположенными галактиками, так как такие сильные взаимодействия приводят к утечке межзвездного газа, оставляя только сферическую составляющую и безгазовый диск. То, что остается, по сути, является галактикой типа S0.

рис. Типы взаимодействия галактик

Второй особенностью, также связанной с эффектом взаимодействия галактик, является наличие в центрах больших иррегулярных кластеров спиральных систем с низким содержанием газа. Значительное число членов таких кластеров имеют аномально небольшие количества нейтрального водорода, а их газовые компоненты в среднем меньше, чем у более изолированных галактик. Считается, что это результат частых прошлых столкновений между такими галактиками, которые привели к нарушениям их внешних частей.

Третья особенность галактических скоплений заключается в наличии в некоторых кластерах - обычно небольших плотных скоплениях – галактики необычного типа, называемой cD галактикой. Эти объекты несколько схожи по структуре с линзообразными галактиками (S0), но они значительно больше, с оболочками, простирающимися на расстояние до миллиона световых лет. Многие из них имеют несколько ядер, и большинство из них являются сильными источниками радиоволн. Наиболее вероятное объяснение для cD-галактик состоит в том, что они являются массивными центральными галактическими системами, которые захватили меньшие члены кластера своими доминирующими гравитационными полями и поглотили другие галактики в свои собственные структуры.

Еще одной особенностью, которую можно проследить в кластерной среде, является присутствие

Abell 2744, который также часто называют кластером Пандоры. Им удалось достаточно хорошо разобраться в истории кластера, которая до этого была довольно отрывочной. В работе использовались данные, полученные при помощи множества телескопов как на Земле, так и в космосе. Основной вклад внесли Очень большой телескоп (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории и космический телескоп Хаббл . Галактический кластер Abell 2744, судя по всему, является результатом слияния как минимум четыре независимых галактических кластеров. Это сложное столкновение привело к появлению странных эффектов, которые вместе никогда раннее не наблюдались.

Когда крупные галактические кластеры сталкиваются, происходящие при этом события являют собой настоящий кладезь информации для астрономов. Изучая один из самых странных и сложных галактических кластеров, образовавшихся при столкновении, ученым удалось из разрозненных лоскутов информации составить общую картину этого столкновения, которое растянулось на 350 миллионов лет.

Одним из ведущих специалистов, участвовавших в этой работе, является Джулиан Мертен. По его словам, «подобно специалисту по катастрофам, который постепенно докапывается до причины происшествия, астрономы могут использовать наблюдения галактических кластеров для того, чтобы реконструировать события, продолжавшиеся в течение сотен миллионов лет. Это может помочь понять, как во Вселенной образовывались различные структуры и как себя ведут различные типы материи при их столкновении».

«Мы назвали Abell 2744 кластером Пандоры, поскольку в ходе столкновения произошло столько всего странного и разного. Некоторые из наблюдаемых феноменов раньше не были открыты», - добавляет Ренато Дупке, один из участников команды.

За счет совместного использования данных, полученных при помощи Очень большого телескопа, японского телескопа Субару и американских космических телескопов Хаббл и Чандра (работает в рентгеновском диапазоне), были получены детальные снимки.

Галактики, которые входят в кластер, хорошо видны на изображения, полученных Очень большим телескопом и телескопом Хаббл. Хотя галактики очень яркие, их масса составляет не более 5 процентов массы кластера. Остальную часть составляют газ (около 20 процентов), который настолько горяч, что светится только в рентгеновском диапазоне; и тесная материя (около 75 процентов), которая совершенно невидима. Для того, чтобы понять, что происходило при столкновении, астрономам пришлось составить карту положений всех трех типов материи в кластере Abell 2744.

Темная материя представляет особенные трудности в этом деле. Она ускользает от наблюдателя, поскольку не испускает, не поглощает и не отражает свет, почему, собственно, она и была так названа. Заметить темную материю можно только по ее гравитационным свойствам, по влиянию на другие объекты. Для того, чтобы определить местоположение этой странной субстанции, команда использовала феномен гравитационной линзы. Это эффект искривления лучей света, когда они проходят около сильно гравитирующего объекта. Обычно такими свойствами обладают очень массивные тела - галактики или их кластеры. Однако, иногда этот эффект наблюдает и около звезд. Разумеется, кластер Abell 2744 достаточно массивен, чтобы считать его отличной гравитационной линзой. На снимках телескопов этот эффект выражается в дисторсии изображений галактик. При анализе характера этих дисторсий можно достаточно точно определить местоположение скрывающейся массы, чье гравитационное поле в них повинно. Таким образом астрономы и «ловят» темную материю.

Обнаружить местоположение горячего газа намного проще. Обсерватория Чандра отлично подходит для этого. Проводя измерения в рентгеновском диапазоне, можно сразу найти скопления горячего газа. Стоит заметить, что необходимо не только определить местоположение носителей массы, но и их скорости, поэтому астрономам необходимо обрабатывать большой объем однотипных изображений.

После подведения итогов этих подготовительных работ, ученые обнаружили множество интересных фактов. «Abell 2744, похоже, сформировалась из четырех различных кластеров, которые были действующими лицами в серии столкновений, растянувшихся на 350 миллионов лет, - говорит Дэн Ку, один из важных членов команды. - Сложное и чрезвычайно нетипичное распределение типов материи очень интересно».

Похоже, сложная череда столкновений привела к разделению части горячего газа и темной материи, так что они теперь находятся на некотором расстоянии друг от друга, а также и от видимых галактик. Кластер Пандоры являет несколько феноменов, которые хотя и была раньше обнаружены в других кластерах, но никогда не наблюдались одновременно.

Около ядра кластера располагается область, в которой газ из одного начального кластера столкнулся с газом из другого, что привело к образованию ударной волны. Темная материя, однако, прошла через эту область незатронутой.

В другой части кластера, похоже, наблюдаются галактики и темная материя, но совсем нет горячего газа. Судя по всему, из-за столкновения весь газ улетел, оставив лишь малую толику.

Во внешних областях кластера наблюдаются еще более странные вещи. В одном месте наблюдается большое количество темной материи, но совсем нег ярких галактик или горячего газа. Часть горячего газа была выброшена в ходе столкновения, и она в своем движении обгоняет темную материю, хотя должна бы следовать за ней. Это странное обстоятельство может пролить свет на поведение темной материи и взаимодействие различных элементов Вселенной.

Галактические кластеры являются крупнейшими структурами во Вселенной, они насчитывают триллионы звезд. То, как они зарождаются и эволюционируют в ходе повторяющихся столкновений, является важным источником информации о вселенной. Поэтому изучение кластера Пандоры продолжаются.