Гигантские столкновения и рекорды дальности

В октябре 2013 г. космический телескоп Hubble начал наблюдения по программе «Пограничные поля» (Frontier Fields) с целью получения самых глубоких из когда-либо сделанных снимков небесной сферы. Проект включает в себя фотографирование шести массивных скоплений галактик, в состав которых входят сотни и даже тысячи звездных систем, окруженные огромными облаками разреженного горячего газа (в основном водорода). Эти скопления являются крупнейшими гравитационно-связанными структурами во Вселенной.

Суперкластер MACS J0416.1-2403, находящийся на расстоянии свыше 4 млрд световых лет. На врезке показана галактика «Тайна», свет от которой шел к нам почти 13,5 млрд лет — таким образом, мы наблюдаем ее в эпоху, отстоящую всего на 300 млн лет от Большого Взрыва.

Одно из таких скоплений, получившее обозначение MACS J0717.5+3745 (сокращенно MACS J0717), решено было исследовать детальнее. Для этого на его изображение в видимом свете наложили результаты наблюдений в рентгеновском диапазоне, проведенных орбитальной обсерваторией Chandra, и карту радиояркости данного участка неба, составленную по данным Большого массива радиотелескопов VLA им. Карла Янского (штат Нью-Мексико). Благодаря этому было обнаружено несколько интересных особенностей изучаемой структуры. Так, международная команда астрономов во главе с доктором Райнаутом ван Веереном из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (Reinout van Weeren, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts) выявила резкое изменение плотности на южном краю кластера.

Скорее всего, оно связано со столкновением между ним и менее массивным скоплением. Наблюдения в радиодиапазоне продемонстрировали наличие в исследуемой области 51 точечного радиоисточника, при этом 7 из них оказались гравитационно-линзированными, что делает MACS J0717 наиболее многочисленным «собранием» подобных объектов. По мнению ученых, все найденные линзированные источники представляют собой очень далекие галактики, находящиеся на расстояниях от 7,8 до 10,4 млрд световых лет. Если бы их излучение не было сконцентрировано мощным гравитационным полем более близкого суперкластера (который, судя по красному смещению входящих в его состав галактик, удален от нас примерно на 5,4 млрд световых лет), зарегистрировать их с помощью «обычных» наблюдений было бы невозможно. Рентгеновский телескоп Chandra помог обнаружить огромное количество нагретого до миллионов градусов газа, «окутывающего» гигантскую структуру.

Кластер MACS J0717 расположен в направлении созвездия Возничего и на самом деле является результатом столкновения сразу четырех достаточно крупных галактических скоплений. По-видимому, с этим и связаны его особенности. В частности, анализ данных массива VLA (нанесены условным розовым цветом) выявил мощные ударные волны, возникшие в начале процессов столкновения. Результаты наблюдений телескопа Hubble показаны белым и желтым цветами, обсерватории Chandra — голубым (они относятся в основном к излучению горячего межгалактического газа).

Космические телескопы Hubble и Chandra вместе с антенным массивом VLA были также использованы для изучения другой области пространства, где сталкиваются два скопления галактик, образуя при этом единый суперкластер, известный под обозначением MACS J0416.1-2403 (или MACS J0416 для краткости) и видимый в созвездии Эридана. По оценкам астрономов, он расположен на расстоянии около 4,3 млрд световых лет. Данные наблюдений в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах показаны теми же условными цветами, что и на предыдущем изображении (соответственно белым, голубым и розовым)

Гигантское сверхскопление галактик MACS J0416 имеет совокупную массу, эквивалентную примерно 160 триллионам масс Солнца. При этом оно, как и все подобные структуры, содержит значительные количества темной материи.3

Не испуская и не поглощая электромагнитного излучения, она оставляет «отпечаток» в виде искаженных изображений фоновых галактик. Вычисленное по этим искажениям распределение темной материи неплохо согласуется с конфигурацией облаков горячего межгалактического газа, излучающего в рентгеновском диапазоне и отмеченного синим цветом. Такое совпадение наблюдается в том случае, если сталкивающиеся скопления еще не полностью завершили слияние, иначе темная материя и газ были бы отделены друг от друга. Вдобавок MACS J0416 имеет и другие особенности: например, оно обладает компактным газовым ядром, наличие которого также указывает на еще не завершенные процессы объединения исходных скоплений.

В декабре 2015 г. было объявлено, что среди объектов MACS J0416 удалось найти самую тусклую звездную систему из наблюдавшихся в ранней Вселенной — галактику «Тайна» (Tayna), чье излучение оказалось сконцентрированным благодаря эффекту гравитационного линзирования. Огромная сила тяжести сверхскопления усилила ее видимый блеск примерно в 20 раз, поэтому стало возможным ее обнаружение с помощью существующих астрономических инструментов.