Горячая и холодная, ближе и дальше
Hot and cold, closer and further
Впервые увидели движение скопления галактик
Международная группа астрономов и физиков впервые обнаружила крупномасштабные движения скоплений галактик, используя эффект, который был предложен почти 40 лет назад. Это первое прямое измерение движения объектов на космологических расстояниях и такие наблюдения могут привести к лучшему пониманию формирования и развития Вселенной, а также помогут астрономам изучать темную материю и темную энергию.
В 1972 году русские физики Рашид Сюняев и Яков Зельдович показали, что движущееся скопление галактик должно, по идее, привести к небольшому сдвигу температуры космического микроволнового фонового (реликтового) излучения - остаток теплового излучения от Большого взрыва, когда оно проходит через него. Этот эффект Сюняева-Зельдовича (SZ) обусловлен электронами высокой энергии, искажающих реликтовое излучение через обратное Комптоновское рассеяние и может быть трех типов или давать три «эффекта» - тепловой, кинематический и поляризованный. Это вторая разновидность - эффект кинематический Сюняева-Зельдовича (КСЗ) и был использован в новой работе для обнаружения движения космических масштабов. КСЗ является эффектом второго порядка, когда фотоны реликтового излучения взаимодействуют с электронами высокой энергии в скоплениях галактик, в результате массового движения электронов. Излучение, проходящее сквозь скопление галактик, движущееся в сторону Земли оказывается горячее на несколько миллионных долей градуса, в то время как излучение, проходящее через скопление, движущееся от Земли оказывается немного холоднее. Хотя эффект КСЗ и был предложен 40 лет назад, но это в первый раз, когда его проявление наблюдалось.
Собираться вместе
Чтобы обойти трудности обнаружения такого небольшого изменения температуры, ведущий автор работы Ник Хэнд (Nick Hand) из Калифорнийского университета в Беркли, США, вместе с 58 сотрудниками из Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили и проекта Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) в Нью-Мексико, собрали вместе сигналы от нескольких скоплений для определения температурного сдвига. Данные из каталога BOSS по 27291 светящимся галактикам были нанесены на карты той же области неба, где проводили наблюдения исследователи из ACT в период между 2008 и 2010 годах. Поскольку каждая галактика, вероятно, находится в скоплении галактик, их положения были использованы для определения расположения скоплений, которые искажают реликтовое излучение.
В далекой-далекой галактике
Было обнаружено движение скоплений галактик, находящихся в нескольких миллиардах световых лет от Земли и движущихся со скоростью до 600 км/с. Скорости этих удаленных объектов очень трудно определить, поскольку это требует очень точного измерения расстояния.
«Одно из основных преимуществ эффекта КСЗ в том, что его величина не зависит от расстояния скопления галактик до нас, поэтому мы можем измерить скорость движения объекта к Земле или от нее на гораздо больших расстояниях, чем это было возможно до сих пор», объясняет Хэнд. Он также говорит, что этот метод может служить дополнительной статистической проверкой, независимой от используемых в настоящее время методов измерения, для будущих крупномасштабных исследований.
Из 27291 галактик в данных BOSS, ученые использовали 7500 самых ярких галактик, чтобы заметить сигнал эффекта КСЗ. Когда два скопления галактик движутся навстречу друг другу, то в результате их взаимного гравитационного притяжения, ученые обнаружили, что эффект КСЗ становится более выраженным - небольшое холодное пятно в данных реликтового излучения позволяет предположить, что кластер удаляется от нас, в то время как небольшое горячее пятнышко будет означать движение кластера к нам. Это похоже на эффект Доплера. После усреднения температурного сдвига по более тысячи объектов BOSS, стал виден четкий сигнал КСЗ-эффекта.
«Сигнал КСЗ мал, так как шансы на микроволновые события электронов при прохождении через скопление галактик являются низкими, а изменение энергии реликтового излучения от этих столкновений мало», говорит сотрудника группы ACT, физик Дэвид Шпергель (David Spergel) из Принстонского университета, США. «Использование данных от нескольких тысяч галактик позволило уменьшить искажения и мы получили сильный сигнал».
Две ассоциации лучше, чем одна
Исследователи отмечают, что если данные только от ACT или от проекта BOSS были бы проанализированы сами по себе, то сигнал не был бы очевидным, так как ни тот, ни другой не были созданы, чтобы специально его искать. И проект ACT, и проект BOSS различаются по объектам, которые они изучают, по методу сбора данных и даже по длинам волн, в которых они работают - микроволны для ACT и видимые световые волны для BOSS. Эта работа подчеркивает важность сотрудничества ассоциаций, которые могут иметь даже принципиально различные цели и задачи, но совместное использование, объединение их данных для изучения тонких физических эффектов, поможет достичь успеха там, где каждой из них по отдельности мало что светило.
Согласно Хэнду «[КСЗ] сигнал на удивление хорошо соответствует типичной космологии реликтового излучения, которую мы разработали за последние десять лет ... так хорошо, что на самом деле, даже неожиданно! Было весьма интересно подтвердить предсказанное 40 лет назад, когда ни проект ACT, ни проект BOSS еще и не планировались».
Сила сигнала эффекта КСЗ зависит от распределения электронов внутри и вокруг галактик. Таким образом, сигнал может быть использован для отслеживания расположения атомов в ближней Вселенной, показывая, как формируются галактики. В ближайшем будущем, Хэнд надеется, что повышенная чувствительность ACT, что обусловлено его обновлением и более крупные объемы данных позволят еще больше улучшить сигнал КСЗ, что, в свою очередь, будет означать улучшение измерения скорости.
Исследование будет опубликовано в журнале
Physical Review Letters
. Препринт работы доступен на
ArXiv
. Ниже приведена аннотация к этой статье:
Используя микроволновые карты неба высокого разрешения, сделанные с помощью ACT (Atacama Cosmology Telescope), мы впервые обнаружили движения галактических скоплений и их групп по искажению температурного поля реликтового излучения вследствие кинематического эффекта Сюняева-Зельдовича. Скопления галактик идентифицируются по составляющим их светящимся галактикам, используя обзор BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) и частично обзор SDSS III (Sloan Digital Sky Survey III). Средний попарно импульс скоплений измерен со статистической значимостью на уровне 3,8 сигма, и сигнал соответствует эволюции космической структуры в стандартной модели космологии.