Астрономы засекли бурное рождение галактического кластера на расстоянии 11 млрд световых лет

Космический «младенец» оказался неожиданно зрелым и горячим: вокруг древнего квазара нашли газ температурой 21 млн градусов.

Художественное изображение галактического протокластера на примере объекта MRC 1138-262 из ранней Вселенной.

Источник: https://commons.wikimedia.org/

Астрономы впервые получили убедительные свидетельства того, что в очень молодой Вселенной уже формировалась горячая газовая оболочка будущих скоплений галактик. Речь идет об объекте более чем в 11 млрд световых лет от Земли. На момент наблюдений Вселенной было меньше 2 млрд лет. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.

На космической стройке включили газовые горелки

Объект получил обозначение MQN01 и представляет собой протокластер — еще не сформировавшееся окончательно скопление галактик. В его центре находится яркий квазар ID1, связанный с активно питающейся сверхмассивной черной дырой.

Именно квазар стал одновременно и маяком, и головной болью для исследователей: его мощное излучение могло создать иллюзию окружающего рентгеновского свечения. Поэтому ученые смоделировали in silico, как должен выглядеть сигнал «голого» квазара, а затем сравнили расчет с реальными данными рентгеновской обсерватории Chandra.

На этом графике показано, как яркость каждого типа газа меняется в зависимости от направления. Красной линией выделено облако газообразного водорода, черной — горячий газ, излучающий в рентгеновском диапазоне в радиусе около 100 тысяч световых лет от центра системы.

Источник: https://www.aanda.org/

Для анализа использовали колоссальный массив 634 тысячи секунд (чуть больше 176 часов) наблюдений в мягком рентгеновском диапазоне. После удаления ожидаемого сигнала квазара осталось дополнительное рентгеновское излучение. Излучающая его среда простиралась как минимум на 98 тыс. световых лет от центра.

Чтобы проверить, не виновата ли в этом струя материи от черной дыры, область вокруг квазара разделили на восемь секторов. Излучение оказалось распределено статистически равномерно во всех направлениях. Это согласуется с картиной горячего газа, удерживаемого гравитацией. Гипотеза о сверхдлинных джетах черной дыры подтверждения не получила.

Рентгеновское изображение области вокруг квазара за вычетом его собственного излучения. Красными линиями обозначены границы светящегося газообразного облака водорода (туманности Lya); черными клиновидными стрелками отмечены восемь секторов, которые используются для измерения яркости в разных направлениях и подтверждения равномерности излучения.

Источник: https://www.aanda.org/

21 млн градусов — и это еще не предел

Расчеты показали, что дополнительный рентгеновский сигнал соответствует очень горячему разреженному ионизированному газу. Его температура оценивается примерно в 21 млн К.

Масса этого газа — около 2,6 трлн масс Солнца (2,6*10¹²M_☉), а общая масса структуры вместе с темной материей достигает примерно 3*10¹³M_☉. Особенно интересно другое: горячий газ составляет около 56% обычного вещества, которое теоретически должно находиться в гало такой массы. Это значение сопоставимо с тем, что наблюдают у зрелых скоплений галактик в современной Вселенной.

Фактические данные (слева), имитация PSF (посередине) и изображения с вычетом PSF (справа) в диапазоне энергий 0,5-2 кэВ. Пунктирными красными кружками обозначены радиальные ячейки, используемые для извлечения профиля. Позиция QSO (квазара, quasi-stellar object) отмечена черной точкой, а заштрихованный черный круг обозначает радиус в 2 угловых секунды, используемый для приведения значений PSF в соответствие с данными. Кольцевая область между 2" и 4" может содержать приблизительно 6 фоновых значений. ДЛЯ СПРАВКИ. В астрономии функция рассеяния точки (Point Spread Function, PSF) описывает, как оптическая система превращает одиночную светящуюся точку, например, далекую звезду или в данном случае квазар, в размытый диск на астрономическом приборе.

Источник: https://www.aanda.org/

Получается любопытная картина: скопление еще находится на космической «стройке», а его горячая газовая составляющая уже выглядит «по-взрослому». Авторы считают результат первым реальным свидетельством теплового излучения протокластера при красном смещении z>3.

При этом ученые не предлагают ставить точку. Обнаружено ограниченное число тепловых рентгеновских фотонов, поэтому оценки пока допускают большие погрешности. Более чувствительные наблюдения должны проверить результат и уточнить параметры объекта.

Сглаженная карта мягкого рентгеновского излучения с энергией 0,5-2,0 кэВ, полученная после вычитания вклада квазара в PSF. Заполненная черная точка отмечает центр квазара с радиусом в 1 угловую секунду, в то время как прозрачная точка представляет внутреннюю область размером 2”, где значения используются для изменения масштаба PSF в соответствии с изображением. Пурпурные контуры очерчивают туманность при уровнях поверхностной яркости (SB), равных 2.5, 4, 6, 8, 10, и 12 × 10^-18 эрг. Красным крестиком отмечено местоположение спутника галактики-хозяйки квазара, обнаруженного с помощью ALMA.

Источник: https://www.aanda.org/

Портал Hi-Tech Mail ранее писал о другом рентгеновском «сюрпризе»: телескоп eROSITA собрал каталог почти из 2 млн рентгеновских источников, а при изучении скопления A3266 ученые обнаружили, что газ на его окраинах оказался горячее и плотнее, чем в центре. О том, где и почему космология дала сбой, мы разбирались здесь.

Еще один материал Hi-Tech Mail посвящен скоплению Пуля — системе, где столкновение двух галактических скоплений позволило изучать отдельно горячий газ, галактики и темную материю. Карту темной материи в скоплении Пуля нарисовали общими усилиями космические телескопы «Джеймс Уэбб» и «Чандра».