Вращение сквозь время: реликтовое излучение выдало движение газа в скоплениях галактик

Астрофизики из Колумбийского университета обнаружили свидетельства вращения горячего газа в скоплениях галактик, проанализировав данные реликтового излучения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Скопления галактик это огромные космические города, где сотни и тысячи галактик связаны друг с другом гравитацией и погружены в облака раскаленного ионизированного газа. Этот газ не стоит на месте: он вращается, перемешивается, сталкивается с газом других скоплений, когда те сливаются в гигантских космических столкновениях. И хотя напрямую увидеть эти потоки практически невозможно, они оставляют едва заметный отпечаток на древнейшем свете Вселенной — реликтовом излучении, которое дошло до нас из эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Именно этот след и удалось обнаружить исследователям, потратившим годы на кропотливый анализ данных.

В основе работы лежит эффект, предсказанный теоретически довольно давно и известный как вращательный кинематический эффект Сюняева-Зельдовича. Суть его проста: когда фотоны реликтового излучения проходят сквозь скопление, они рассеиваются на электронах горячего газа. Если газ движется, возникает подобие эффекта Доплера — излучение, идущее от приближающейся к нам стороны скопления, кажется чуть горячее, а от удаляющейся чуть холоднее. В результате на карте реликтового излучения вокруг скопления возникает характерная дипольная картина: одна сторона теплее, другая холоднее. Проблема в том, что сигнал этот настолько слаб, что в отдельно взятом скоплении его не разглядеть никакими приборами.

Чтобы преодолеть это ограничение, ученые выбрали 25 массивных скоплений галактик на относительно небольших расстояниях от нас. Все они были отобраны по данным рентгеновских наблюдений и объединены с результатами масштабного спектроскопического обзора Sloan Digital Sky Survey, который зарегистрировал как минимум по 50 галактик-членов в каждом скоплении. Именно движения этих галактик позволили астрономам оценить, в какую сторону и как наклонена ось вращения каждого скопления. Затем исследователи взяли карты реликтового излучения, полученные спутником Planck Европейского космического агентства, «вырезали» вокруг каждого скопления фрагмент неба, повернули эти фрагменты так, чтобы оси вращения совпали, и усреднили все 25 карт. Если сигнал реален, при таком усреднении он должен проступить сквозь шум, как проявляется изображение на фотобумаге.

Результат превзошел ожидания: на объединенной карте действительно проявилась дипольная температурная картина, ориентированная в соответствии с предполагаемыми осями вращения скоплений. Статистический анализ показал, что вероятность случайного совпадения составляет всего 0,02 процента — иными словами, сигнал подтвержден с уровнем значимости 3,6 сигма. Это первый случай, когда вращательный кинематический эффект Сюняева-Зельдовича удалось выделить столь уверенно.

Авторы не остановились на простом обнаружении: они разработали ряд методических улучшений, которые позволили отделить искомый сигнал от первичных флуктуаций реликтового излучения и шума, а также применили оптимальное взвешивание каждого скопления и использовали данные поляризации для дополнительного подавления помех. Форма и амплитуда найденного сигнала качественно совпали с предсказаниями современных гидродинамических компьютерных моделей, описывающих поведение газа в скоплениях.

Работа опирается на более ранние исследования группы Эрика Бакстера из Университета Пенсильвании, где были получены первые намеки на существование такого сигнала. Новый анализ подтвердил эти намеки на значительно большей выборке и с более совершенной методикой. По словам самих авторов, до сих пор большинство исследований кинематического эффекта Сюняева-Зельдовича было сосредоточено на распределении газа внутри галактик и вокруг них, тогда как новая работа позволяет заглянуть внутрь отдельных скоплений и увидеть, как газ движется в процессе вращения и слияний. Фактически создан новый инструмент для изучения динамического состояния скоплений галактик по данным реликтового излучения.

Впереди у этого направления большое будущее. Ученые с нетерпением ждут возможности применить разработанные методы к данным нового спектроскопического прибора для исследования темной энергии DESI и обсерватории Саймонса, которые должны позволить отличить упорядоченное вращение от хаотических движений газа, вызванных слияниями. Кроме того, предложенные методики можно использовать для поиска других слабых эффектов в реликтовом излучении, которые до сих пор ускользали от астрономов.

Результат исследования состоит в том, что впервые с высокой степенью уверенности обнаружен дипольный температурный сигнал в реликтовом излучении, соответствующий вращению и движению горячего газа в скоплениях галактик. Это подтверждает теоретические предсказания вращательного кинематического эффекта Сюняева-Зельдовича и открывает новый способ изучать динамику скоплений — их вращение, слияния и внутренние потоки газа, используя данные реликтового излучения. Работа не только разрешает давнюю неопределенность, но и прокладывает путь для будущих исследований с более чувствительными приборами и большими выборками скоплений.