перепост: Космические гольфстимы

Игорь Дмитриевич Караченцев написал небольшую заметку, в связи с награждением его премией имени Амбарцумяна. Заметка была подготовлена по следам интервью еженедельнику "Наука в мире". Я решил разместить ее в своем журнале. Слово лауреату.

Космические “гольфстримы”

И.Д.Караченцев

Внегалактическая астрономия и наблюдательная космология развиваются в последние десятилетия исключительно быстрыми темпами. Явление разбегания галактик было обнаружено Эдвином Хабблом менее 100 лет назад по измерениям лучевых скоростей всего лишь двух десятков близких галактик. Глобальный (космологический) характер хаббловского расширения вселенной был установлен в середине XX века, основываясь на измерениях скоростей около 1000 галактик. Благодаря созданию новых больших телескопов и совершенствованию оптических светоприемников, количество галактик с измеренными лучевыми скоростями удваивается сейчас каждые 2-3 года. Их число в настоящее время уже превысило 2 миллиона.

Чтобы определить темп расширения вселенной, т.е. параметр Хаббла H в линейном соотношении V = HD между лучевой скоростью V и расстоянием галактики D, необходимо измерять расстояния галактик с достаточно высокой точностью. К сожалению, эта задача оказалась гораздо более трудной, чем измерение лучевых скоростей (по эффекту смещения спектральных линий Допплера). В мире галактик нет “километровых столбов” , и трудоемкие измерения расстояний опираются на шаткую “этажерку” методов разной степени точности. Астрономам удалось отыскать несколько эталонов светимости: переменные звезды класса цефеид, сверхновые типа Ia в момент максимума их блеска, звезды ветви красных гигантов, по которым были измерены расстояния галактик с точностью (5-10)%. Всего такими высокоточными методами определены расстояния до 700 галактик. Около половины из них получены сотрудниками Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии Наук по наблюдениям на космическом телескопе имени Хаббла. Помимо прямых методов измерения расстояний с помощью упомянутых “стандартных свечей”, имеются вторичные методы, в которых использованы калибровочные соотношения между интегральной светимостью (или диаметром) галактики и величиной внутренних движений в ней. Масовые обзоры галактик в линии нейтрального водорода (21 см) позволяют использовать ширину радиолинии 21 см для оценки амплитуды вращения галактики. Соотношение “скорость вращения – светимость”, предложенное Брентом Талли и Робертом Фишером в 1977 году, дало в руки астрономов дешевый способ определения расстояний галактик с погрешностью (20-25)%. К настоящему времени число галактик с оценками расстояний методом Талли-Фишера достигло примерно 12000.

Отклонение скорости галактики по лучу зрения от ожидаемой по закону Хаббла называют ее пекулярной скоростью. Поле пекулярных скоростей галактик, полученное в результате измерения расстояний, дает исключительно ценную информацию о распределении материи во вселенной, поскольку эти индивидуальные нехаббловские скорости вызваны гравитационным влиянием местных неоднородностей: групп, скоплений галактик и космических пустот.

По современным наблюдательным данным около 95% объема вселенной занимают космические пустоты (“войды”), почти полностью лишенные галактик. В остальных 5% объема галактики и их группы располагаются вдоль волокон и плоскостей (стенок), на пересечении которых находятся богатые скопления галактик.

Картина пекулярных скоростей галактик складывается из их хаотических (вириальных) движений внутри скоплений и групп, а также коллективных потоков галактик в сторону ближайших к ним аттракторов (массивных скоплений). По результатами численного моделирования гравитационной эволюции больших участков вселенной выяснилось, что элементы крупномасштабной структуры вселенной: группы, волокна, стенки могут двигаться друг относительно друга со скоростями в несколько сотен км/с. К примеру, наша Местная группа галактик и ее окружение движется со скоростью 630 км/с относительно реликтового космического излучения, которое является некой абсолютной системой отсчета. Величина этой пекулярной скорости Млечного Пути установлена с точностью 5 км/с, т.е. лучше 1%. Из чего складывается такая большая скорость? Земной наблюдатель движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Направление этого вектора меняется в течение года. Наше Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути со скоростью 220 км/с. Направление этого вектора меняется с периодом около 200 миллионов лет, т.е. оно постоянно на шкале астрономических наблюдений. Ближайшим массивным соседом нашей Галактики является туманность Андромеды (М31), притяжение которой вызывает пекулярную скорость Млечного Пути около 80 км/с в направлении Андромеды. Далее, ближайшее к нам богатое скопление галактик в созвездии Девы на расстоянии 17 мегапарсек (50 млн. световых лет) от нас разгоняет Млечный Путь до скорости 190 км/с в направлении этого скопления. Как было недавно установлено, Местная группа с нашей Галактикой удаляется от соседней расширяющейся космической пустоты со скоростью 260 км/с. Вектор последней скорости примерно перпендикулярен скорости в сторону скопления Девы. Векторное сложение этих скоростей дает в сумме скорость, которая оказывается явно недостаточной, чтобы объяснить наше быстрое движение относительно реликтового излучения (630 км/с). В последние годы появились указания на то, что громадный объем пространства вокруг Местной группы, где находятся десятки тысяч других галактик (!), движется в сторону “сверхскопления Шепли” со скоростью около 300 км/с. Эта сверхмассивная концентрация богатых скоплений располагается в созвездии Центавра на расстоянии более полумиллиарда световых лет от нас. Таким образом, мир галактик на больших масштабах оказывается удивительно подвижным, заполненным разнообразными космическими течениями.

Чтобы исследовать явление коллективных движений галактик с большой детальностью, сотрудники САО РАН занялись поисками новых близких галактик и измерением их скоростей и расстояний. В результате обширной работы на крупнейших оптических и радиотелескопах, занявшей около 20 лет, был составлен каталог более 800 галактик с расстояниями в пределах 10 мегапарсек (30 млн. световых лет) от нас. Для половины галактик этой выборки уже определены расстояния с помощью космического телескопа Хаббла. Расстояние D = 10 мегапарсек соответствует возможности телескопа Хаббла обнаружить и измерить положение вершины ветви звезд - красных гигантов всего за 1 оборот спутника вокруг Земли. При точности измерения расстояний этим методом 5-10% и величине постоянной Хаббла Н=72 км/с на 1 мегапарсек пекулярные скорости галактик на границе Местного объема (D=10 Мпк) определяются с ошибкой всего лишь примерно 50 км/с.

Из анализа разнообразных данных уникально высокой точности, накопленных для галактик Местного объема, нам удалось сделать ряд неожиданных выводов о структуре и кинематике близких окрестностей нашей Галактики.

*) Члены Местной группы (их число достигло уже 84) и галактики десятка других близких групп располагаются в плоском “листе” размером около 7 Мпк и толщиной менее 0.5 Мпк. Взаимные движения галактик в Местном листе удивительно малы с характерной скоростью примерно 70 км/с внутри групп и около 25 км/с между группами.

*) В непосредственной близости от Местного листа начинается обширная пустая область, названная нами Войдом Талли. Этот пустой сектор, который занимает 1/3 северного неба, содержит только две карликовые галактики при среднем ожидаемом числе их около 200.

*) Наш Местный лист как целое удадяется от Войда Талли со скоростью около 260 км/с, сближаюсь с другим соседним “облаком” галатик в созвездии Льва.

*) Основываясь на вириальных движениях галактик в близких группах, мы определили динамические массы этих групп. В группах имеется скрытая темная материя, масса которой в 30 раз превосходит видимую (звездную) массу.

*) Суммарная плотность темной и звездной материи в Местном объеме оказывается в три раза меньше, чем средняя космическая плотность. Этот странный результат, отмеченный также в более ранних исследованиях других авторов, не нашел пока убедительного объяснения.

*) Галактики, расположенные в окрестностях Местной группы и других близких групп, показывают более медленный темп расширения, чем удаленные галактики, поскольку движение близких галактик притормаживается гравитационным притяжением группы. Измерение этого эффекта позволило определить полную массу близких групп. Независимые оценки массы групп по внешним и по внутренним (вириальным) движениям галактик оказались в замечательном согласии друг с другом. При этом, однако, необходимо было принять во внимание существование нового типа космической среды - “темной энергии”, которая проявляет себя как сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между галактиками. Таким образом, изучение движений галактик в Местном объеме дало новое свидетельство существования во вселенной особой компоненты – энергии вакуума или темной энергеии, выражаемой “Λ-членом” в космологическом уравнении Эйнштейна. (Напомним, что необходимость введения Λ-члена возникла при объяснении наблюдений вспышек очень далеких сверхновых на расстояниях в несколько миллиардов световых лет).

Отмеченный выше парадокс, что наблюдаемая плотность темной материи в Местном объеме в 3 раза меньше средней космической плотности, продолжает оставаться нерешенной загадкой. Для объяснения этого парадокса “потерянной темной материи” было высказано несколько предположений. Согласно одному из них, Местный объем действительно расположен в космической впадине с пониженной плотностью темной материи. Однако, проведенные нами определения вириальных масс у групп и скоплений в объеме радиусом 50 Мпк, т.е. в 100 раз большем объеме, подтвердили наблюдаемый недостаток темной материи в те же самые 3 раза.

Согласно другому предположению, концентрация темной материи в группах и скоплениях выражена менее сильно, чем концентрация звездного вещества. При этом около 2/3 общей массы темной материи находится на периферии систем галактик за пределами их вириального радиуса. Эта точка зрения сейчас доминирует среди космологов. Чтобы проверить ее, мы исследовали картину падения галатик на ближайшее богатое скопление Девы, измеряя расстояния соседних с ним галактик на телескопе Хаббла. По характеру движений этих галактик было показано, что в распределении темной материи вдоль радиуса скопления Девы не наблюдается протяженных “крыльев”, а основная масса темной материи скопления сосредоточена в пределах его вириального радиуса. Аналогичным образом, темные ореолы не обнаружили себя вокруг Местной группы и других близких групп.

Неоднократно высказывалось предположение, что при формировании крупномасштабной структуры вселенной многие сгущения темной материи могут продолжать оставаться темными, поскольку в них не включился процес звездообразования. Такие темные структуры способны проявить себя лишь по гравитационному влиянию на окружение, в частности, по эффекту слабого гравитационного линзирования. К настоящему моменту уже появилось несколько сообщений разных авторов об обнаружении темных перемычек между скоплениями, а также обособленных массивных аттракторов, которые не отождествляются с известными скоплениями галактик. По нашим данным, один из ближайших таких “темных аттракторов” может находиться в созвездии Волос Вероники на расстоянии 15 Мпк от нас.

Одним из способов поиска загадочных темных аттракторов является обнаружение галактик с большими пекулярными скоростями. Предполагаемый темный аттрактор в Волосах Вероники был заподозрен нами именно по большим пекулярным скоростям галактик в этой области, которые достигают 700 км/с. Недавно в созвездии Льва мы обнаружили группу из 7 карликовых галактик на расстоянии 10 Мпк, которая движется в нашу сторону со средней пекулярной скоростью около 500 км/с. Весной этого года Нельсон Калдуэл и его сотрудники выявили шаровое звездное скопление, вылетающее из скопления галактик Девы с рекордно большой пекулярной скоростью около 2300 км/с. Необходимо отметить, что пекулярная скорость таких “космических летунов” может быть ориентирована в любом направлении. Но нам легче заметить их лишь в том случае, когда эта скорость направлена строго на земного наблюдателя.

Охота на предположительно существующие массивные сгустки темной материи только начинается. Она обещает принести результаты, меняющие наши представления о строении вселенной. Как говорят англичане, ловля черной кошки.