Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) опубликовал результаты нового исследования, полученного на основе данных рентгеновской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», состоящей из российского телескопа ART-XC им. Павлинского и немецкого eROSITA. Российским ученым удалось исследовать свойства горячего газа на большом удалении от центра скоплений галактик и построить изображение «усредненного» скопления. Результаты работы опубликованы в журнале MNRAS и на сайте архива электронных препринтов.
Скопления галактик — самые крупные гравитационно связанные системы во Вселенной. В оптическом диапазоне они «выглядят» как повышенная концентрация эллиптических галактик на небольшом участке неба. Массивные скопления галактик могут содержать тысячи галактик. При этом пространство между ними кажется пустым.
Но в рентгеновском диапазоне длин волн это пространство заполнено горячим газом, простирающимся до… Вот здесь начинается самое интересное. Сравнение свойств внешних областей скоплений с теоретическими предсказаниями — это важный тест модели формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Проблема лишь в том, чтобы эти свойства измерить.
До запуска телескопа eROSITA на борту обсерватории «Спектр-РГ» индивидуальные скопления достаточно надежно наблюдали на расстояниях до R500 (радиуса, в пределах которого средняя плотность вещества в скоплении в 500 раз превышает критическую плотность Вселенной). Но из-за малого поля зрения телескопов на построение полных карт близких скоплений приходилось тратить миллионы секунд дорогостоящего наблюдательного времени. Более того, зная только одно скопление, сложно делать выводы о свойствах газа на периферии скоплений в целом.
С одной стороны, действительно, скопления галактик — самоподобные структуры, их радиальные профили плотности газа, температуры, энтропии похожи друг на друга по форме, но с другой стороны, каждое скопление уникально, со своей историей и местом формирования, что не позволяет обобщать характеристики отдельно взятого объекта на всю популяцию. В численном моделировании формирования крупномасштабной структуры Вселенной можно просто усреднить свойства десятков и сотен скоплений. В наблюдениях это сделать гораздо сложнее.
С запуском СРГ/eROSITA и построением рентгеновской карты всего неба, в руках астрономов появился мощный инструмент для таких исследований. Что немаловажно, СРГ/eROSITA сканирует небо (и скопления галактик, в частности) с достаточно высокой чувствительностью и одинаковым пространственным разрешением. Фактически, это эквивалентно наблюдению скоплений телескопом с неограниченным размером поля зрения. Теперь астрофизики имеют возможность «проследить» индивидуальное скопление до столь угодно большого радиуса, пока излучение от него не сольется с фоном. А далее можно усреднить свойства многих скоплений и построить их «общий портрет» — распределения свойств горячего газа на разных расстояниях от центра скопления.
Именно эта возможность была использована Натальей Лысковой, сотрудницей отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, и её коллегами. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Используя данные обзора всего неба и выборку из примерно 40 скоплений галактик с известными массами и красными смещениями, исследователи получили усредненное изображение скопления галактик. Предварительно приведя все скопления к одной массе и одному угловому размеру и убрав рентгеновские источники, не связанные со скоплением, все изображения индивидуальных скоплений были «сложены» вместе. Такой подход увеличивает эффективное время наблюдений, что позволяет надежнее детектировать сигнал на больших расстояниях от центра скопления, а также минимизирует вклад особенностей отдельных скоплений.
Итоговое изображение показано на рисунке, где фон изображения (справа) выглядит исключительно ровным и однородным. Это позволят выделить слабое рентгеновское излучение (на уровне менее 1% от фона) на больших расстояниях от центра скопления.
Из полученного изображения «усредненного» скопления был получен профиль плотности газа, то есть его значение в зависимости от расстояния до центра скопления. Излучение от скопления удалось детектировать вплоть до трех расстояний R500 (вертикальная штриховая линия на графике) — на рекордно большом удалении от центра. К примеру, на основе данных рентгеновской обсерватории XMM-Newton (ESA) была изучена область до ~ (1-1.5) R500 (см. работу Pratt et al 2022; зеленая кривая на графике). Более того, вместе с измерениями профиля давления можно сразу получить и профили температуры и энтропии газа, если использовать эффект Сюняева-Зельдовича.
Какую информацию о скоплениях нам это дает? Здесь на помощь приходят современные теоретические работы по численному моделированию формирования и эволюции скоплений галактик, которые учитывают не только темную материю, но и сложные физические процессы, происходящие в газе (барионном веществе). Известно, что космологические численные расчеты успешно воспроизводят наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной и глобальные свойства скоплений и отдельных галактик, но, к примеру, термодинамические свойства и химический состав газа на периферии скоплений остаются слабо изученными, поэтому наблюдения областей, далеких от центра скопления, являются столь важной задачей.
Чтобы сравнить наблюдаемый профиль плотности газа с теоретическим, на графике красной линией показан средний профиль плотности газа близких массивных скоплений, полученных в результате численного моделирования в рамках стандартной космологической модели ΛCDM в работе O’Neil et al. 2021. Как следует из рисунка, эти профили неплохо согласуются друг с другом, несмотря на упрощенное описание динамики газа в численных расчетах.
Теперь это описание можно еще улучшить, используя прямые наблюдения обсерватории «Спектр-РГ». В частности, данные телескопа СРГ/еРОЗИТА показывают, что на больших расстояниях от центра горячий газ остается относительно однородным, а не «скучивается» в плотные комки. Все эти результаты важны и для понимания физических процессов на краях скоплений и как основа для измерения космологических параметров нашей Вселенной с помощью скоплений галактик.