Космический аппарат "Планк", проводя полный обзор неба в микроволновом диапазоне, получил первые изображения скоплений галактик, самых больших объектов во Вселенной. При этом был использован эффект Сюняева-Зельдовича, в результате действия которого эти объекты должный оставлять характерные следы на реликтовом микроволновом фоне. Объединяя данные с данными миссии ESA "XMM-Ньютон" удалось показать, что одно из них является ранее неизвестным сверхскоплением галактик.

Вещество во Вселенной распределено очень неравномерно, оно сгруппировано особенным образом: звезды концентрируются в галактики, галактики формируют огромные скопления, окруженные обширными пустыми пространствами. Скопления галактик могут содержать до тысячи галактик, они погружены в горячий газ, который сильно светит в рентгене; кроме того, большая часть их массы состоит из темной материи. На еще больших масштабах существуют сверхскопления - содержащие многочисленные группы и скопления галактики, которые расположены в пересечениях листов и нитей в ячеистой структуре Вселенной. Поскольку скопления и сверхскопления прослеживают распределение как светящейся материи, так и темной материи во Вселенной, то их наблюдение крайне важно, чтобы исследовать как сформировались и развились космические структуры в целом.

Основная цель аппарата "Планк" состоит в том, чтобы исследовать реликтовое космическое излучение (Cosmic Microwave Background - CMB), для этой цели на нем установлены 2 датчика (низкочастотный и высокочастотный), охватывающих девять частотных каналов в микроволновом диапазоне от 30 до 857 ГГц. Такое широкое спектральное покрытие дает возможность исключить все источников, не являющиеся источниками CMB, чтобы построить самое точное изображением ранней Вселенной. Это также делает "Планк" превосходным охотником за скоплениями галактик.

Рисунок 1. Эта серия изображений показывает скопление Abell 2319 в семи различных частотных каналах, от 44 до 545 ГГц. Хорошо видна частотная зависимость влияния эффекта Сюняева-Зельдовича. В четырех крайних левых изображениях, соответствующих частотам ниже 217 ГГц, сигнал отрицателен (представлен синим цветом); это означает, что скопление кажется более холодным, чем средний сигнал CMB, тогда как в двух крайних правых изображениях, соответствующих частотам выше 217 ГГц, скопление более горячее, чем фон, и сигнал положительный (представленный красным цветом). Отсутствие сигнала на частоте нуль-пункта 217 ГГц - особенность эффекта Сюняева-Зельдовича. Размер каждого изображения - приблизительно 2 градуса. (Изображение: ESA/ LFI & HFI Consortia)

Фактически, девять частотных каналов телескопа "Планк" были изначально выбраны именно с учетом поиска проявлений эффекта Сюняева-Зельдовича. Этот эффект описывает изменение энергии, которое испытывают фотоны CMB, движущиеся по направлению к нам, при столкновении со скоплением галактик. В результате на сигнале CMB остается своеобразный "отпечаток" этого скопления. Следовательно, эффект Сюняева-Зельдовича представляет уникальный инструмент для обнаружения скоплений галактик, и даже на больших красных смещениях.

Поскольку первые фотоны, образовавшиеся от Большого взрыва, пересекая Вселенную взаимодействуют с веществом, то при прохождении через скопление галактик фотоны CMB рассеиваются на свободных электронах горячего газа. Эти столкновения вызывают перераспределение частот фотонов особым способом, который позволяет отделить сигнал от скопления от сигнала CMB. Так как горячие электроны в скоплениях намного более энергичны, чем фотоны CMB, взаимодействия между этими двумя разновидностями, как правило, приводят к рассеянию фотонов с более высокими энергиями (обратный комптон-эффект) в рентгеновском диапазоне. Это означает, что если мерить CMB в направлении скопления, то будет наблюдаться дефицит низко-энергичных фотонов относительно среднего сигнала CMB, и наоборот, излишек более энергичных. Пороговая частота, разделяющая дефицит и излишек фотонов, соответствует 217 ГГц. Детекторы Планка исследуют спектр ниже и выше этого порога, а один из каналов как раз настроен на эту частоту в 217 Ггц.

"Планк" с его беспрецедентным спектральным диапазоном может обнаруживать как положительный так и отрицательный сигнал от скоплений галактик, и является, таким образом, исключительным инструментом для идентификации местоположения этих огромных структур по всему небу и измерения их физические характеристики. Первые полученные изображения некоторых хорошо известных скоплений, таких как Coma (Волосы Вероники), очень горячего и близкого скопления галактик, и Abell 2319 представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2. Эти изображения скопления Coma (Волосы Вероники) или Abell 1656, очень горячего близко расположенного скопления галактик, показывают проявления эффекта Сюняева-Зельдовича. Верхняя левая панель показывает влияние эффекта Сюняева-Зельдовича на изображение скопления Coma, полученное "Планком"; верхняя правая панель - оно же в рентгене, полученное спутником ROSAT. Цвета на обоих изображениях пропорциональны интенсивности сигналов. Контуры рентгеновских данных также нанесены на изображение "Планка" для большей наглядности. Для сравнения представлены те же изображения, но с наложенными оптическими изображениями скопления по данным Digitised Sky Survey. Расположенное на расстоянии в 300 миллионов световых лет, скопление Coma занимает на небе область более 2 градусов, что соответствует более чем 4 угловым размерам полной Луны. Область каждого изображения - немногим больше 2 градусов. (Изображение: ESA/ LFI & HFI Consortia; изображение ROSAT: Макс-Планк-Институт für extraterrestrische Physik; изображение DSS: НАСА, ESA, и Digitized Sky Survey 2)

"Планк" был сконструирован, в частности, специально для обнаружения эффекта Сюняева-Зельдовича от скоплений, рассеянных всюду по небу, однако разрешение его аппаратуры недостаточно для выявления деталей структуры скоплений, особенно для объектов на большом красном смещении. Поэтому необходимы наблюдения на других длинах волн, чтобы выявить детали этих массивных структур. Так как горячий газ в скоплениях галактик светит в рентгене, наблюдения в этом диапазоне оказываются особенно полезными, поскольку они исследуют тот же самый компонент, которых ответствен за эффект Сюняева-Зельдовича.

Чтобы подтвердить их идентичность, кандидаты-объекты "Планка" в скопления были сравнены с существующими каталогами скоплений, такими как каталог скоплений рентгеновского аппарата ROSAT. Если кандидаты не соответствуют никакой известной структуре, проводится тщательный анализ сигнала эффекта Сюняева-Зельдовича, и далее они становятся объектами последующих наблюдений рентгеновской обсерваторией ESA "XMM-Ньютон".

"XMM-Ньютон" с его исключительной чувствительностью - идеальный партнер "Планка" в связке по обнаружению источников по эффекту Сюняева-Зельдовича. Именно благодаря совместным действиям между этими двумя миссиями ESA, которые позволили астрономам использовать "XMM-Ньютон", чтобы подтвердить открытия Планка, были открыты скопления галактик и одно сверхскопление. Наблюдения "XMM-Ньютона" показали, что один из кандидатов в скопления - фактически сверхскопление, состоящее по крайней мере из трех отдельных массивных скоплений галактик, которые одними только наблюдениями "Планка" разрешить было невозможно.

Рисунок 3. Это изображение показывает открытое сверхскопление галактик, обнаруженное "Планком" и "XMM-Ньютон". Это первое сверхскопление, открытое с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Слева - изображение, полученное "Планком". Правая панель показывает изображение, полученное с помощью обсерватории "XMM-Ньютона": видно три скопления галактик, которые составляют это сверхскопление. Для наглядности контуры рентгеновского изображения нанесены на изображение "Планка". Видно, что сигнал от сверхскопления является результатом суммы сигнала от трех отдельных скоплений с возможным дополнительным вкладом от волокнистой структуры (филаментов) между ними. Угловое расстояние между верхним скоплением и одним из скоплений в нижнем правом углу составляет приблизительно 7.5 минут дуги. Более слабые круглые контуры, рассеянные повсюду, не связаны со сверхскоплением; они как и точечные рентгеновские источники, расположены или на заднем плане или перед сверхскоплением, и скорее всего, являются активными ядрами галактик. Рентгеновское излучение, показанное на изображении "XMM-Ньютона", меняется в диапазоне между 300 eV и 2000 eV, что соответствует температурному диапазону от 3.5 миллионов до 23 миллионам градусов. Размер изображения составляет приблизительно 15 минут дуги. . (Изображение: Планка: ESA/LFI & HFI Consortia; изображение XMM-Ньютона: ESA)

Совместные действия между этими двумя миссиями оказались чрезвычайно успешными, и "XMM-Ньютон" будет продолжать исследование обнаруженные объекты "Планка", чтобы подтвердить природу кандидатов в скопления. И более того, в будущем "XMM-Ньютон" может проводить более глубокие наблюдения некоторых скоплений, чтобы более подробно измерять их характеристики.

Сигнал от открытого сверхскопления является результатом суммы сигналов от трех отдельных скоплений, кроме того, возможен дополнительный вклад от волокнистой структуры между скоплениями. Это в свою очередь дает важные ключи к пониманию распределения газа на очень крупных масштабах, которое, в свою очередь, крайне важно для понимания вклада темной материи.

Первый обзор всего неба "Планка" был начат в середине августа 2009 г. и закончен в июне 2010 г. Команда ученых "Планка" в настоящее время анализирует данные из первого обзора всего неба, чтобы идентифицировать как известные, так и новые скопления галактик для составления каталога, который будет выпущен в январе 2011 г. Предполагается, что "Планк" продолжит собирать данные до конца 2011 года, это означает, что будет сделано еще более чем четыре скана по всему небу.

Источник.