«Тень», возникающая от слабого остаточного излучения Большого взрыва, обнаружила в ранней Вселенной огромный объект, который противоречит нашим представлениям о развитии Вселенной.
Этот кластер галактик, названный SPT2349-56, был найден всего через 1,4 миллиарда лет после Большого взрыва и содержит газ, температура которого значительно превышает ожидаемую. Гравитационное нагревание таких кластеров должно происходить медленно, и для достижения температур, характерных для SPT2349-56, потребовались бы миллиарды лет.
«Мы не предполагали, что увидим такую горячую атмосферу кластера на столь раннем этапе космической истории, — отмечает аспирант-астрофизик Дачжи Чжоу из Университета Британской Колумбии в Канаде. — Сначала я был скептически настроен к этому сигналу, так как он казался слишком сильным, чтобы быть настоящим. Но после нескольких месяцев проверок мы подтвердили, что температура газа как минимум в пять раз выше ожидаемой и даже превышает ту, что наблюдается в современных кластерах».
Объект SPT2349-56 был впервые обнаружен в 2010 году во время наблюдений с южнополярного телескопа в Антарктиде, и его необычность была заметна с самого начала. Последующие исследования, опубликованные в 2018 году, подтвердили, что это скопление состоит более чем из 30 галактик, которые формируют звезды в 1000 раз быстрее, чем в Млечном Пути, и движутся навстречу друг другу по направлению к столкновению.
Эти экстремальные события происходили в ранней Вселенной около 12,4 миллиарда лет назад, и астрономы полагали, что они могут дать важные подсказки о развитии галактик в ключевой момент истории Вселенной.
Международная команда исследователей под руководством Чжоу использовала высокочувствительный Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA) для изучения космического микроволнового фона — слабого, равномерного излучения, которое продолжает заполнять Вселенную с тех пор, как она остыла до температуры, позволяющей свету свободно распространяться.
Их целью было выявить искажение, известное как сигнал Суняева-Зельдовича, которое возникает в результате взаимодействия электронов в горячем газе между галактиками кластера с фотонами реликтового излучения. Поскольку реликтовое излучение очень однородно, эти «тени» создают контраст, который можно обнаружить и измерить.
Кластеры галактик представляют собой области пространства, где гравитация усиливается, так как галактики притягиваются друг к другу. Эта гравитация воздействует на газ внутри кластера — внутрикластерную среду — сжимая и ускоряя его, что приводит к повышению его энергии.
SPT2349-56 является крайним примером кластера галактик в ранней Вселенной, как по размеру, так и по скорости звездообразования, и предыдущие измерения показали наличие значительного количества молекулярного газа между галактиками. Чжоу и его коллеги более детально исследовали этот газ, чтобы понять, что он может рассказать о динамике внутри кластера.
«Понимание скоплений галактик — это ключ к пониманию крупнейших галактик во Вселенной, — говорит астрофизик Скотт Чепмен из Университета Далхаузи, который ранее работал в Национальном исследовательском совете Канады. — Эти массивные галактики в основном находятся в кластерах, и их эволюция в значительной степени определяется мощной средой, окружающей кластеры в процессе их формирования, включая внутрикластерную среду».
Сигнал Суняева-Зельдовича, полученный с помощью ALMA, оказался не только четким, но и мощным. Анализ показал явный тепловой след от горячих электронов с температурами свыше 10 миллионов Кельвинов. Хотя исследователи надеялись на раннее обнаружение теплой внутрикластерной среды, результаты превзошли все ожидания.
Согласно существующим моделям, одна лишь гравитация не может создать такие температуры. Исследователи предполагают, что мощные струи, исходящие как минимум от трех сверхмассивных черных дыр в SPT2349-56, могут добавлять дополнительную энергию.
«Это говорит нам о том, что нечто в ранней Вселенной, вероятно, три недавно обнаруженные сверхмассивные черные дыры в этом скоплении, уже тогда выбрасывали огромное количество энергии в окружающую среду и формировали молодое скопление гораздо раньше и сильнее, чем мы думали», — объясняет Чепмен .
В свою очередь, это говорит о том, что наше теоретическое понимание эволюции скоплений галактик далеко не полное – необходимо учитывать всю экосистему скоплений, даже в ранней Вселенной, когда мы можем не ожидать проявления определенных динамических процессов.
Исследователи отмечают, что хотят выяснить, как взаимодействуют интенсивное звездообразование, активные черные дыры и перегретая атмосфера. А также что это может рассказать нам о том, как формировались современные скопления галактик.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Изображение: художественное изображение активных сверхмассивных черных дыр, разрушающих межзвездную среду. (Линсяо Юань)
