Эль-Гордо (скопление галактик)

Скопление галактик ACT-CL J0102-4915 впервые было обнаружено по данным наблюдений эффекта Сюняева — Зельдовича Атакамским космологическим телескопом (ACT) в 2008—2009 годах. Этот эффект заключается в том, что когда фотоны реликтового излучения проходят через горячую межгалактическую плазму скопления галактик, содержащиеся в этой плазме быстрые электроны сталкиваются с фотонами и передают им часть своей энергии. Это приводит к перераспределению интенсивности реликтового излучения по частотам: на частотах выше 218 ГГц интенсивность возрастает, а на более низких частотах — уменьшается. Величина этого изменения зависит от концентрации и температуры электронов плазмы, а также физического размера скопления вдоль луча зрения^[10][16][17].

Поскольку ACT вёл наблюдения на частоте 148 ГГц (что соответствует длине волны 2 мм), он обнаружил это и некоторые другие скопления галактик по уменьшению интенсивности реликтового излучения в соответствующих направлениях на небе. Существование скопления было подтверждено непосредственным наблюдением оптического излучения его галактик в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра с помощью телескопа SOAR в 2009 году, а также архивными данными рентгеновских наблюдений межгалактической плазмы в скоплении с помощью космической обсерватории ROSAT. Оценка фотометрического красного смещения скопления составила 0,75 ± 0,04^[18]. Объект получил обозначение ACT-CL J0102‑4915, где первая часть указывает, что он был впервые найден с помощью Атакамского космологического телескопа (ACT), а вторая часть представляет собой экваториальные координаты объекта на небесной сфере^[16][19].

Найденное ACT уменьшение интенсивности реликтового излучения было необычайно сильным. Для интерпретации этого факта в 2011 году были выдвинуты две гипотезы. Это можно было объяснить либо очень большой массой скопления, либо его вытянутостью вдоль луча зрения наблюдателя. Если верна первая гипотеза, то открытое скопление по массе становится сопоставимым с самыми массивными системами, обнаруженными на гораздо меньших красных смещениях (то есть относящимися к более поздним космологическим эпохам). Тогда же было выдвинуто предположение, что такая высокая масса скопления может быть объяснена слиянием меньших скоплений^[20].

Сразу после этого были проведены дополнительные наблюдения объекта с помощью наземных телескопов VLT (в оптическом диапазоне спектра) и космических обсерваторий «Спитцер» (в инфракрасном диапазоне) и «Чандра» (в рентгеновском диапазоне). Они позволили не только подтвердить существование скопления, но и детально изучить его физические свойства. С помощью спектрографа FORS2 на VLT были получены спектры 89 галактик скопления, с помощью которых было более точно измерено его красное смещение, оказавшееся равным ${\displaystyle z=0{,}870}$. Дисперсия скоростей движения галактик в скоплении оказалась очень большой: ${\displaystyle \sigma =1321\pm 106\ {\text{км/с}}}$. Также наблюдения «Чандры» показали, что температура межгалактического газа составляет примерно 14,5 ± 1,0 кэВ (что соответствует 168 ± 12 млн К), а болометрическая светимость скопления равна ${\displaystyle L_{bol}\approx 1{,}4\cdot 10^{39}\ {\text{Вт}}}$. Все полученные данные в совокупности позволили измерить массу скопления в пределах сферы, внутри которой средняя плотность вещества в 200 раз превышает среднюю плотность Вселенной в целом: ${\displaystyle M_{200}=(2{,}16\pm 0{,}32)\cdot 10^{15}\ h_{70}^{-1}\ M_{\odot }}$ (где ${\displaystyle h_{70}\ -}$ отношение постоянной Хаббла к величине 70 км с^–1 Мпк^–1; данный параметр близок к единице). Этот результат подтвердил, что обнаруженное ACT уменьшение интенсивности реликтового излучения проистекало не из вытянутости скопления, а именно из его необычайно большой массы^[5].

О результатах исследования было объявлено 10 января 2012 года на 219-м собрании Американского астрономического общества в Остине (Техас)^[10][16][17]. Через полтора месяца соответствующая статья была опубликована в журнале The Astrophysical Journal^[5]. Тогда же скопление получило название Эль-Гордо (англ. El Gordo), что в переводе с испанского означает «здоровяк» или «толстяк» — в знак признания его необычайно большой массы, а также в качестве отсылки к расположению телескопа ACT в Чили^[5][10][17].

Красное смещение скопления равно ${\displaystyle z=0{,}87}$^[5][6][7]. Это означает, что его наблюдаемый свет был испущен, когда возраст Вселенной составлял 6,2 млрд лет (менее половины нынешнего значения) и шёл до Земли около 7,6 млрд лет^{[8][9][9][21][16][19]}. Это означает, что скопление наблюдается таким, каким оно было в относительно молодом возрасте, 7,6 млрд лет назад^[17]. Поскольку на протяжении всего этого времени Вселенная расширялась, в настоящее время скопление находится на расстоянии примерно 10 млрд световых лет от Земли^[3][1]. Оно является самым массивным из всех известных скоплений галактик, расположенных на таким или большем расстоянии от Земли. Также из всех таких скоплений оно обладает наибольшими температурой межгалактической среды и рентгеновской светимостью^{[10][11][6][12]}.

Скопление Эль-Гордо содержит несколько сотен галактик^[1]. Его масса неоднократно уточнялась по мере поступления новых данных. Первоначальные оценки, основанные на рентгеновских наблюдениях обсерватории «Чандра» и измерениях скоростей галактик с помощью телескопа VLT, указывали на значение около 2 ⋅ 10¹⁵ масс Солнца (см. выше)^[12][5]. В 2014 году были опубликованы результаты нового исследования, основанного на наблюдении с помощью телескопа «Хаббл» слабого гравитационного линзирования изображений более далёких (фоновых) галактик, свет которых проходит через гравитационное поле скопления по пути к земному наблюдателю. Результаты показали, что масса Эль-Гордо в пределах сферы, внутри которой средняя плотность в 200 раз превышает среднюю плотность Вселенной, равна ${\displaystyle M_{200}=(3{,}13\pm 0{,}56)\cdot 10^{15}\ h_{70}^{-1}\ M_{\odot }}$^[2][21], что примерно на 43% превышает первоначальные оценки, основанные на скоростях галактик и температуре межгалактического газа^[6][3][22]. Радиус этой сферы равен примерно 2,5 Мпк, что может служить приблизительной оценкой радиуса самого скопления^[2].

Однако в исследовании 2014 года наблюдениями была охвачена только часть скопления галактик Эль-Гордо, после чего результаты были экстраполированы на остальную его часть. Как выяснилось позднее, это привело к завышению массы примерно в 1,5 раза. В 2021 году было выполнено более точное и прямое измерение массы скопления тем же методом, но с помощью нового широкоугольного обзора, проведённого телескопом «Хаббл». Это позволило получить уточнённую оценку массы, которая оказалась ниже предыдущей: ${\displaystyle M_{200}=2{,}13_{-0{,}23}^{+0{,}25}\cdot 10^{15}\ M_{\odot }}$^[4].

Небольшая часть огромной массы скопления заключена в галактиках, бо́льшая часть — в горячем межгалактическом газе, заполняющем весь его объём. Однако, как показали наблюдения телескопа «Хаббл», основная доля массы скопления приходится на невидимую тёмную материю^[1][7][3] (рис. 2). На звёзды приходится всего лишь около 1% всей массы^[11].

Скопление галактик Эль-Гордо состоит из двух меньших скоплений — северо-западного (NW) и юго-восточного (SE)^[4], — движущихся навстречу друг другу и сталкивающихся со скоростью 2500 км/с^[13], или несколько миллионов километров в час^{[19][10][11][16]}. Северо-западный компонент примерно в 1,5 раза массивнее юго-восточного^[4]. Движение и столкновение скоплений происходит в направлении, перпендикулярном лучу зрения наблюдателя^[3]. Это делает Эль-Гордо похожим на скопление Пуля, расположенное почти вдвое ближе^[10][11][6]. Данное столкновение имеет ряд ключевых особенностей:

• кометообразная морфология: рентгеновское изображение Эль-Гордо, полученное обсерваторией «Чандра», демонстрирует отчётливый кометообразный вид с двумя «хвостами»^[11][21][22] (рис. 3, 4);

• разделение барионной и тёмной материи: как и в случае скоплением Пуля, облака горячего межгалактического газа каждого из меньших скоплений были замедлены их взаимным столкновением, тогда как гало тёмной материи прошли друг через друга и через барионное вещество беспрепятственно^{[10][22][16][17]};

• центральная галактика: в центре Эль-Гордо находится необычно яркая галактика голубоватого цвета. Предполагается, что она возникла в результате столкновения и слияния двух центральных галактик каждого из меньших скоплений^[11].

Огромная масса скопления Эль-Гордо делает его мощной гравитационной линзой. Лучи света от более далёких (фоновых) галактик, проходя через искривлённое пространство-время внутри скопления и вокруг него, изгибаются, что приводит к искажению изображений галактик, их вытягиванию в дуги, а в некоторых случаях — к увеличению яркости за счёт фокусировки световых лучей^[21][8][9].

На инфракрасных изображениях, полученных космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (рис. 5), видны многочисленные дуги — искажённые изображения фоновых галактик. Среди наиболее заметных объектов на рис. 5 выделяются «Тонкая» (англ. The Thin One) — тонкий прямой отрезок, расположенный чуть ниже и левее центра изображения, и «Рыболовный крючок» (англ. The Fishhook) — красная дугообразная структура в верхней правой части снимка. Свет от этих галактик шёл до Земли около 11 млрд лет^[8][9]. Фоновые галактики, видимые через Эль-Гордо, находятся на различных расстояниях, вплоть до 12,3 млрд световых лет от Земли^[21].

Скопления галактик, крупнейшие гравитационно-связанные объекты во Вселенной, образуются в результате слияния меньших систем — групп или субскоплений галактик. Поскольку процесс их формирования зависит от количества тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной, скопления можно использовать для изучения этих её компонентов^[10][16]. Существование столь массивного скопления, как Эль-Гордо, при красном смещении ${\displaystyle z=0{,}87}$ создаёт трудности для стандартной космологической модели ΛCDM, которая лежит в основе современного научного описания Вселенной. В рамках этой модели сначала во Вселенной формируются галактики, которые затем сливаются в более крупные галактики или образуют группы и скопления галактик. Этот процесс требует времени, вследствие чего крупные скопления галактик не могут появиться во Вселенной слишком рано^[15].

Трудность усугубляется тем, что Эль-Гордо представляет собой не просто очень массивное скопление галактик, а систему из двух массивных скоплений, сталкивающихся на высокой скорости. Гидродинамическое моделирование показывает, что для объяснения наблюдаемых свойств скопления Эль-Гордо (в частности, высокой температуры межгалактической плазмы) требуется высокая относительная скорость столкновения субскоплений — около 2500 км/с^[13]. Чтобы это могло произойти, эти два скопления не просто должны были образоваться в ранней Вселенной, но и оказаться рядом, в одной области пространства. В 2021 году учёные провели компьютерное моделирование движения большого количества частиц тёмной материи внутри виртуального куба со стороной 3 Гпк в рамках гравитационной задачи N тел и модели ΛCDM. Целью моделирования был поиск пар сталкивающихся скоплений галактик (точнее, их гало тёмной материи), аналогичных компонентам Эль-Гордо по массе, красному смещению и скорости столкновения. Результаты показали, что в модели ΛCDM такие быстрые столкновения между массивными скоплениями галактик на столь раннем этапе эволюции Вселенной являются чрезвычайно маловероятными. Гравитации тёмной материи не хватило бы 6 млрд лет, прошедших после Большого взрыва, чтобы в течение этого срока сформировать два крупных сгустка вещества и разогнать их до столь высокой относительной скорости на траектории прямого столкновения. Поэтому в компьютерной модели не нашлось ни одной пары скоплений, которая соответствовала бы всем параметрам Эль-Гордо. Другими словами, обнаружение Эль-Гордо на красном смещении ${\displaystyle z=0{,}87}$ с массой порядка 10¹⁵ M_⊙ и скоростью столкновения компонентов 2500 км/с противоречит предсказаниям модели ΛCDM на уровне значимости 6,2σ^[13][14][15].

Существование Эль-Гордо может указывать на то, что формирование крупномасштабных структур во Вселенной происходило быстрее, чем предсказывает модель ΛCDM^[15]. Однако в альтернативной космологической модели, основанной на модифицированной ньютоновской динамике (MOND), с добавлением в неё стерильных нейтрино массой 11 эВ/c² гравитационные потенциальные ямы и крупномасштабные структуры формируются значительно быстрее и скорость слияния субскоплений может достигать высоких значений. В таких моделях столкновения массивных объектов, подобных Эль-Гордо, возникают естественным образом^[13].