Цивилизация
«Газета.Ru» уже несколько раз рассказывала своим читателям об эффекте Сюняева — Зельдовича, суть которого состоит в понижении яркости реликтового излучения в направлении на массивное скопление галактик с горячим межгалактическим газом. Используя этот эффект, специально созданные для этого Atacama Cosmology Telescope (шестиметровая антенна субмиллиметрового диапазона, расположенная на высоте 5000 метров в чилийских Андах) и космический спутник Planck ищут сейчас далекие скопления галактик. Еще одним инструментом, который используется для поиска эффекта Сюняева — Зельдовича, является South Pole Telescope (SPT). Диаметр его зеркала 10 метров, расположен он на Южном полюсе Земли и также работает в субмиллиметровом диапазоне.
На данный момент SPT завершил программу обзора 2500 квадратных градусов южной полусферы неба, эта программа началась еще в 2007 году (напомним, что площадь всего неба составляет примерно 41 тысячу квадратных градусов).
За это время с помощью эффекта Сюняева — Зельдовича было найдено около 500 скоплений галактик.
«Красота эффекта Сюняева — Зельдовича в том, что он позволяет обнаружить галактическое скопление на самом краю наблюдаемой Вселенной так же легко, как скопление, расположенное недалеко от нас, — говорит Джон Карлстром, руководитель проекта South Pole Telescope. — Величина эффекта зависит от массы объекта, а не от его расстояния до Земли».<3>
Одним из скоплений галактик, которое обнаружил SPT, является объект SPT-CLJ2344-4243, расположенный на расстоянии 5,7 млрд световых лет от Земли в созвездии Феникс (сейчас его называют просто скопление Феникс). После открытия скопление Феникса два года детально исследовалось с помощью семи инструментов в оптическом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах на двух орбитальных обсерваториях (рентгеновской «Чандра» и инфракрасной «Гершель») и трех наземных телескопах, расположенных в Чили (8,1-метровый Gemini South, 6,5-метровый «Магеллан» обсерватории Лас-Кампанас и 4-метровый телескоп «Бланко» обсерватории Серро-Тололо).
Эти комплексные исследования показали, что скопление Феникс является рекордным по ряду показателей.
Подробные результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Nature. Ведущим автором публикации является Майкл Макдональд из Института астрофизики и космических исследований имени Фреда Кавли (при Массачусетском технологическом институте). Среди 86 авторов этой статьи присутствует сотрудник Института космических исследований РАН Алексей Вихлинин, работающий в настоящее время в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики.<4>
Расскажем подробнее о рекордах скопления Феникс. Так, его масса близка к 2•1015 масс Солнца, что делает его одним из самых массивных известных скоплений галактик во Вселенной. Рентгеновская светимость этого скопления чрезвычайно велика: 8•1045 эрг/с/ — два триллиона светимостей Солнца. Оно обладает крайне сильным «потоком охлаждения» (cooling flow) — 3 820 масс Солнца в год. В скоплениях галактик термином «поток охлаждения» (cooling flow) называется поток вещества, которое конденсируется и остывает, являясь в конечном итоге исходным материалом для образования звезд.
Самый главный вывод статьи заключается в том, что в центральной галактике скопления Феникс происходит бурное звездообразование с эффективностью 740 звезд массой Солнца в год.
Отметим, что темп звездообразования в нашей галактике составляет примерно одну массу Солнца в год. Майкл Макдональд отмечает, что в списке известных объектов-рекордсменов по звездообразованию скопление Феникса опережало бы ближайшего преследователя по эффективности как минимум в пять раз. «Конечно, это не совпадение, что такое интенсивное звездообразование происходит в наиболее быстро охлаждающемся из всех известных к настоящему времени скоплений во Вселенной, — говорит Макдональд. — Мы считаем, что этот остывающий газ и поставляет необходимое топливо для процесса звездообразования».
Открытие «течения охлаждения» и рекордно быстрого звездообразования было признано специалистами настолько важным событием, что ему посвящены пресс-релизы Гарвардского и Чикагского университетов, Центра данных орбитальной обсерватории «Чандра» и Национального научного фонда США, который финансирует исследования телескопа на Южном полюсе Земли. Гарвардский университет опубликовал интервью с академиком РАН Рашидом Сюняевым, предварив его следующими фразами: «Не так легко найти область космологии или астрофизики высоких энергий, на которую не повлияли бы работы Рашида Сюняева — одного из наиболее уважаемых и признанных ученых в этих областях науки. Выдающимся вкладом было, в частности, предсказание эффекта, названного в честь Сюняева и его учителя Якова Зельдовича».<5>
«Газета.Ru» попросила Рашида Сюняева поделиться своим мнением об открытии скопления галактик Феникс и с нашими читателями.
— Это чрезвычайно интересная статья. Рентгеновские наблюдения горячего (десятки миллионов градусов) разреженного газа в скоплениях галактик позволили еще 35 лет назад определить плотность и температуру газа и показать, что время его охлаждения сравнимо, а в центральных частях скоплений даже меньше характерного времени расширения Вселенной. Тогда же было предсказано, что в центре скопления газ должен остывать, а взамен к центру должен подтекать газ с периферии, формируя «течение охлаждения». Однако детальное исследование спектральных линий высокозарядных ионов, наблюдаемых в рентгеновском спектре скоплений, показало, что охлаждение по какой-то причине не происходит и «течения охлаждения» в скоплениях не формируются. Общепринятым объяснением стала красивейшая идея, что в скоплениях работает отрицательная обратная связь. Стоит сформироваться течению охлаждения, как остывающий газ начинает подпитывать сверхмассивную черную дыру в центральной доминирующей галактике скопления. Активность аккрецирующей черной дыры — релятивистские выбросы вещества и сильное излучение — нагревают газ в ее окрестностях и «вырубают» течение охлаждения. Одна из важнейших и общепризнанных работ в этом направлении принадлежит перу члена-корреспондента РАН Евгения Чуразова.
Важность открытия скопления Феникс в том, что астрономы впервые обнаружили прямые свидетельства сильнейшего течения охлаждения (в центральную зону скопления втекает и конденсируется 3800 масс Солнца в год), приводящего к быстрому формированию плотных и холодных облаков газа, в недрах которых начинают интенсивно рождаться молодые звезды.
Пример скопления Феникс демонстрирует, что, скорее всего, у многих скоплений галактик могла быть в прошлом стадия, на которой «течение охлаждения» приводило к интенсивному звездообразованию в центральной галактике скопления. Продолжив поиск подобных явлений на всем небе, мы сможем понять, какова продолжительность подобных периодов активности.
— Как вы думаете, скопление проходит фазу сильного остывания несколько раз или авторам работы удалось поймать уникальный момент его эволюции?
— Я лично считаю, что скопления за время своего существования несколько раз проходят фазу сильного охлаждения. Авторам повезло поймать уникальный момент невероятно высокого темпа звездообразования, связанного с сильным «течением охлаждения».
— Благодаря эффекту, который вы предсказали вместе с Яковом Зельдовичем, были найдены и другие интересные объекты, такие как Эль Гордо. Как вы считаете, смогут ли исследования наиболее массивных и далеких скоплений проверить стандартную модель космологии и, может быть, даже позволить исследовать природу ранней Вселенной?
— Такие объекты, как скопления Феникс и Эль Гордо, кое в чем похожее на скопление Пуля, способны дать нам массу информации о физических процессах в самых массивных объектах нашей Вселенной.<1>
Такие скопления представляют собой уникальную лабораторию по исследованию высокотемпературной плазмы. Они характеризуются высочайшей концентрацией темной материи и, являясь объектами с огромным гравитационным полем, формируют сильное гравитационное линзирование. Очевидно, что открытие каждого такого массивного скопления является серьезной проверкой стандартной модели нашей Вселенной, которая предсказывает малое их количество на больших красных смещениях. Подобные исследования, а также изучение всего неба могут привести к неожиданным результатам и уточнению нашего понимания природы первичных возмущений плотности вещества во Вселенной.<6>
— На данный момент под руководством Брэда Бенсона продолжается большая программа космического телескопа «Чандра» по наблюдению скоплений галактик, открытых на South Pole Telescope. Одна из целей программы — продолжение работы, начатой вашим молодым коллегой Алексеем Вихлининым: использовать нарастающую со временем крупномасштабную структуру Вселенной для проверки космологии и ускоренного расширения Вселенной. Каково ваше мнение об этих исследованиях, помогут ли они пролить свет на природу темной энергии и гравитации на космологических масштабах?
— Данные космического рентгеновского телескопа «Чандра» очень важны для изучения скоплений галактик в интересах космологии. Наблюдения «Чандры» открывают возможности достаточно точного определения масс для только что открытых скоплений. Нам необходимо знать их массы для того, чтобы делать более точные космологические выводы. Это позволяет найти зависимость плотности числа скоплений с близкими массами от красного смещения (или от времени). Такая информация при сравнении с предсказаниями теории открывает возможность определения основных параметров Вселенной, что успешно продемонстрировал Алексей Вихлинин. Я рад, что такие яркие молодые ученые, как Брэд Бенсон, присоединились к этим исследованиям. Сравнение наблюдательных данных с данными численного моделирования также помогает нам продвигаться вперед.
Не сомневаюсь, что наблюдательная космология в ближайшие 20–25 лет даст нам исчерпывающую информацию о глобальных свойствах темной энергии, но я не уверен, сможем ли мы осмыслить её природу за столь короткое время.
— Вы активно продолжаете исследования. Например, только за 2012 год у вас и ваших соавторов уже появилось двадцать статей, опубликованных в научных журналах или в виде электронных препринтов, то есть, скорее всего, направленных в печать или доложенных на конференциях. Какие темы в астрофизике волнуют вас сегодня больше других? К каким будущим работам или исследованиям вы относитесь с особенным интересом?
— Я счастлив, что живу во время, когда революция в наблюдательной астрофизике и космологии продолжается столь успешно. В течение ближайших десяти-пятнадцати лет будет введено в строй немало замечательных наземных оптических и радиотелескопов, запущены уникальные космические обсерватории. Замечательно просыпаться утром и почти каждый день находить в свежей рассылке электронных препринтов что-то интересное или даже абсолютно новое для тебя, написанное активным и очень сильным поколением молодых астрофизиков. Сегодня меня особо интересуют наблюдательные методы, которые позволят нам получить дополнительную информацию о том, какой была наша Вселенная, когда она была в тысячи и миллионы раз моложе, чем сейчас. Будет здорово, если эти методы сделают возможным, скажем, лет через десять-пятнадцать прямое обнаружение фотонов в спектральных линиях от эпохи рекомбинации водорода, которая происходила на красном смещении 1500. Представьте себе знакомый со школьных и студенческих лет спектр ультрафиолетовых и оптических линий водорода, сдвинутых в полторы тысячи раз по длине волны в миллиметровый и радиодиапазоны. Было бы крайне интересно увидеть прямое подтверждение существования фотосферы Вселенной, способной сформировать практически идеальный чернотельный спектр реликтового излучения на красных смещениях, близких к двум миллионам.
Надеюсь, что следующие поколения космических проектов сделают возможными такие наблюдения и позволят, наконец, обнаружить давно предсказанные чрезвычайно слабые отклонения спектра реликтового излучения от чернотельного, связанные с диссипацией мелкомасштабных звуковых волн в ранней Вселенной.
Однако это станет возможным уже в относительно далеком будущем. Но даже в ближайшие годы мы наверняка получим массу новой информации об эпохе реионизации Вселенной, которая произошла всего лишь на красном смещении 10, то есть когда Вселенная была только в 30 раз моложе, чем сейчас. Результаты европейского спутника Planck, имеющие отношение к реионизации Вселенной и космологии ранней Вселенной, будут объявлены в начале 2013 года. Ждать осталось недолго. После этого все данные первых двух лет наблюдений станут общедоступными.
Самое время отметить, что в 2012 году я умудрился войти в число соавторов шести статей по результатам наблюдений скоплений галактик спутником Planck (у каждой из этих статей больше чем по 150–200 авторов). Как и в работах на ускорителях, каждый, кто внес какой-то вклад на определенной стадии работы по громадному проекту, становится соавтором статьи.
— Ваше предсказание, сделанное совместно с Яковом Борисовичем Зельдовичем о том, что в направлениях на скопления галактик будет наблюдаться эффект Сюняева — Зельдовича, изначально было воспринято коллегами скептически. Что вы испытали, когда убедились в том, что ваше предсказание не только подтвердилось, но и что эффект Сюняева — Зельдовича стал существенной частью современной астрофизики?
— Да, во время моих первых докладов об эффекте некоторые физики были настроены весьма скептически в связи с тем, что, как они считали, уменьшение яркости неба в радиодиапазоне в направлении облака очень горячего газа противоречит законам термодинамики. Астрономы же относились скептически, когда я говорил, что амплитуда эффекта и его спектр не зависят от красного смещения, т.е. расстояния до объекта. Это противоречило всему опыту, который был накоплен до этого во внегалактической астрофизике. Но если в конце доклада появлялся трижды Герой Социалистического Труда Я. Б. Зельдович и говорил «Рашид прав», происходило удивительное — все немедленно начинали кивать головой в знак согласия. Тогда я впервые осознал, как хорошо иметь за спиной «тяжелую артиллерию».
В то же время меня сильно огорчало то, что Яков Борисович считал, что эффект слишком слаб и, скорее всего, его никогда не смогут наблюдать.
Я был молод и верил, что если физика верна, то Вселенная найдет способ продемонстрировать существование эффекта. Я очень благодарен наблюдателям, которые поверили в эту идею и потратили многие годы своей жизни, пытаясь обнаружить эффект. Подлинное подтверждение он получил только в конце 1980-х — начале 1990-х годов, через двадцать лет после предсказания. Хорошо помню день, когда я увидел статью радиоастронома из Чикаго Джона Карлстрома и его коллег с результатами наблюдений эффекта с помощью радиоинтерферометра BIMA (Berkeley-Illinois-Maryland Association) в направлении хорошо известных скоплений на разных красных смещениях, от z =0.17 до z =0.888. Конечно, в 1969 году, когда мы готовили к печати свою первую статью об эффекте, я даже и мечтать не мог о том, что сегодня South Pole Telescope, Atacama Cosmology Telescope и космический телескоп Planck найдут на небе более тысячи неизвестных до этого скоплений галактик. Это потрясающее чувство — осознавать, что большинство из этих скоплений находится на очень больших красных смещениях и что эффект позволяет нам искать наиболее массивные скопления во Вселенной. Трудно представить себе, что скопления, открытые благодаря эффекту, будут наблюдаться на небе последующие миллиарды лет.
И возникает серьезный вопрос, будут ли еще на Земле астрономы в это далекое от нас время.
Мне очень жаль, что Яков Борисович Зельдович не увидел этот поток новых интереснейших статей с результатами исследования скоплений галактик, открытых при помощи эффекта и наблюдаемых сегодня на лучших телескопах мира в различных спектральных диапазонах.