Астрономы обычно избегают «Зоны избегания». Когда одна из них не стала этого делать, она обнаружила гигантскую космическую структуру, способную объяснить слишком большую скорость нашей галактики
Посмотрите на ночное небо с места, где есть хороший обзор, и вы увидите толстую полосу Млечного Пути, протянувшуюся через всё небо. Но эти звёзды и пыль, обрисовывающие диск нашей Галактики, не приветствуют астрономы, изучающие галактики, расположенные за нашей. Это похоже на толстую полосу запотевшего лобового стекла, на размытие, делающее неполным наше знание о Вселенной. Астрономы называют её Зоной избегания.
Рене Краан-Кортевег [Renée Kraan-Korteweg] всю свою карьеру пыталась открыть то, что лежит за этой зоной. Впервые она нашла признаки чего-то потрясающего на фоне, когда в 1980-х обнаружила намёки на потенциальное скопление объектов, видимое на старых фотопластинках. За последующие несколько десятилетий намёки на крупномасштабную структуру продолжали поступать.
В этом году Краан-Кортевег с коллегами объявили, что обнаружили огромную космическую структуру: сверхскопление из тысяч и тысяч галактик. Эта группа протянулась на 300 млн световых лет, и распространяется выше и ниже галактической плоскости, как великан, прячущийся за фонарём. Астрономы называют это сверхскоплением Парусов, поскольку оно находится примерно на месте созвездия Парусов.
Рене Краан-Кортевег, астроном Кейптаунского университета
Те, кто сдвинул Млечный Путь
Млечный Путь, как и все галактики космоса, движется. Всё во Вселенной постоянно движется из-за расширения самой Вселенной, но с 1970-х годов астрономам было известно ещё одно движение, называемое пекулярной скоростью. Это отдельный поток, в который вовлечены и мы. Местная группа галактик — в которую входят Млечный Путь, Андромеда и ещё несколько десятков мелких соседей — движется со скоростью 600 км/с по отношению к остаточному излучению Большого взрыва.
За несколько последних десятилетий астрономы подсчитали всё, что могло бы тянуть и толкать местную группу — близлежащие скопления галактик, сверхскопления, стены скоплений и космические пустоты, оказывающие гравитационное воздействие на нашу группу, которым нельзя пренебречь.
Крупнейшим буксиром служит сверхскопление Шепли, монстр массой в 50 млн млрд солнечных, находящийся в 500 млн световых лет от Земли (и не очень далеко на небесной сфере от сверхскопления Парусов). Он отвечает за 25-50% пекулярной скорости местной группы.
Изображение Млечного Пути со спутника Gaia, демонстрирующее тёмные облака пыли, закрывающие вид на галактики и Вселенную, расположенные за ними
Оставшееся движение нельзя объяснить структурами, уже обнаруженными астрономами. Поэтому астрономы продолжают заглядывать всё дальше во Вселенную, подсчитывая всё дальше расположенные объекты, вносящие вклад в общее гравитационное притяжение Млечного пути. Гравитационное притяжение уменьшается с увеличением расстояния, но этот эффект немного сбивается из-за увеличения размеров этих структур. «Чем больше растут карты, — говорит Майк Хадсон, космолог из Университета Ватерлоо в Канаде, — тем большие и большие объекты находят люди на краю обозримого пространства. Мы продолжаем заглядывать всё дальше, но как раз за пределами видимости остаются всё большие горы». Пока что астрономы учли лишь то, что отвечает за скорость в 450-500 км/с движения местной группы.
Однако астрономы всё ещё не просеяли с такой же тщательностью Зону избегания. И открытие сверхскопления Парусов показывает, что там может находиться нечто большое, как раз за пределами нашего доступа.
В феврале 2014 года Краан-Кортевег и Майкл Клавер, астроном из Университета Западно-Капской провинции Южной Африки задались целью разметить сверхскопление Парусов в рамках наблюдения, растянувшегося на шесть ночей в Англо-австралийском телескопе в Австралии. Краан Кортевег знала, где были самые плотные скопление газа и пыли в Зоне избегания. Она нацеливалась на отдельные точки, в которых у них были наилучшие шансы увидеть что-то прямо через эту зону. Целью было создать «костяк», как она его называет, структуры. Клавер, уже имевший опыт работы с этим инструментом, должен был считывать расстояния до отдельных галактик.
Этот проект помог им заключить, что сверхскопление Парусов на самом деле существует, и что оно занимает 20-25% неба. Но они всё ещё не знают, что происходит в его центре. «Мы видим стены, пересекающие Зону избегания, но по тому месту, где они пересекаются, у нас пока нет данных из-за пыли», — сказала Краан-Кортевег. Как эти стены взаимодействуют между собой? Начали ли они сливаться? Есть ли там более плотное ядро, скрытое свечением Млечного Пути?
И, главное, какова масса сверхскопления Парусов? Ведь именно масса отвечает за гравитационное притяжение и возникновение структуры.
Как увидеть сквозь дымку
Хотя пыль и звёзды Зоны блокируют свет в оптическом и инфракрасном диапазонах, радиоволны способны проникать через этот участок. Памятуя об этом, Краан-Кортевег разработала план использования космического радиомаяка для разметки всего, что находится за самыми плотными частями Зоны избегания.
План основан на водороде, простейшем и самом распространённом газе во Вселенной. Атомный водород состоит из единственного протона и электрона. У этих частиц есть такое квантовое свойство, как спин, который можно представить себе в виде маленькой стрелочки, приделанной к каждой из частиц [но лучше представлять его себе как момент импульса / прим. перев.]. У составляющих водород частиц эти спины могут указывать в одном направлении, или в противоположных. Иногда спин меняет направление — параллельный атом становится антипараллельным. Когда это происходит, атом испускает фотон света определённой длины волны.
Одна из 64 антенн, составляющих телескоп MeerKAT в Южной Африке
Вероятность испускания такой радиоволны одним атомом невелика, но если собрать большое количество нейтрального водорода, то суммарная вероятность возрастёт. К счастью для Краан-Кортевег и её коллег, многие галактики из скопления Парусов обладают крупными запасами такого газа.
Во время наблюдений 2014 года она с Клавером увидели признаки того, что во многих из найденных ими галактиках присутствуют молодые звёзды. «А если есть молодые звёзды, это значит, что они недавно сформировались, а это значит, что там есть газ», — сказала Краан-Кортевег, поскольку газ — это материал, из которого создаются звёзды.
У Млечного Пути тоже есть свой водород — ещё одна дымка на переднем плане, мешающая наблюдениям. Но расширение Вселенной можно использовать для того, чтобы определять излучение водорода, находящегося в скоплении Парусов. Расширение отдаляет галактики, лежащие вне местной группы, и сдвигает радиоволны по направлению к красной части спектра. «Эти линии испускания разделяются, так что их можно выборочно подсчитать», — говорит Томас Джарет, астроном из Кейптаунского университета, участвовавший в команде, открывшей сверхскопление Парусов.
И хотя работа Краан-Кортевег за всю её карьеру обнаружила уже 5000 галактик в сверхскоплении, она уверена, что достаточно чувствительное наблюдение в радиодиапазоне за этим нейтральным водородом сможет утроить это количество и открыть нам структуры, лежащие за самой плотной частью диска Млечного Пути.
Именно тут на сцену выходит радиотелескоп MeerKAT. Он расположен рядом с небольшим пустынным городом Карнарвоном в Южной Африке, и вскоре станет самым чувствительным радиотелескопом на Земле. Его последняя, 64-я антенна была установлена в октябре, но пока ещё несколько антенн необходимо соединить и проверить. Половина массива из 32 тарелок должна будет заработать к концу 2017, а полностью он встанет в строй в начале 2018 года.
Краан-Кортевег в этом году пыталась получить время для наблюдений при помощи этого половинного массива, но если её запрос на 200 часов не удовлетворят, она надеется получить 50 часов уже на полном массиве. В обоих случаях чувствительность будет одинаковой, как раз такой, что требуется для того, чтобы они с коллегами обнаружили радиосигналы нейтрального водорода из тысяч отдельных галактик, расположенных в сотнях световых годах от нас. Вооружившись этими данными, они смогут разметить полную структуру скопления.
Космические водосборы
Хелен Куртуа [Hélène Courtois], астроном из Лионского университета, использует для разметки сверхскопления другой подход. Она составляет карты Вселенной, которые она сравнивает с водосборами. В определённых частях неба галактики мигрируют в одном направлении, точно так, как дождь в водосборах стекается в одно озеро или поток. Они с коллегами ищут границы, по разным сторонам которых материя тяготеет в разные стороны.
Хелен Куртуа, астроном из Лионского университета
Несколько лет назад Куртуа с коллегами использовали этот метод, чтобы попытаться определить нашу местную крупномасштабную структуру под названием Ланиакея. Куртуа объясняет важность определения этой структуры тем, что хотя у нас есть определения галактики и галактических скоплений, не существует общепринятого определения крупномасштабных структур Вселенной — таких, как сверхскопления и стены.
Проблема, в частности, заключается в том, что для статистически строгого определения у нас просто нет достаточного количества сверхскоплений. Мы можем перечислить только известные нам, но сверхскопления, как сборные структуры, состоящие из тысяч галактик, демонстрируют неопределённое количество разновидностей.
Сейчас Куртуа с коллегами переносят своё внимание всё дальше. «Паруса весьма интересны, — говорит Куртуа. — Я хочу измерить водосбор притяжения, границы, фронтир Парусов». Она использует собственные данные для определения потоков, движущихся по направлению к Парусам и от них, чтобы можно было оценить количество массы, притягивающейся к ним. Сравнивая эти линии потоков с картой Краан-Кортевег, показывающей места физического скопления галактик, они могут оценить плотность сверхскопления Парусов и его размер. «Эти два метода полностью дополняют друг друга», — добавила Куртуа.
Два эти астронома сейчас совместно строят карту Парусов. По завершению они надеются, что смогут использовать её для определения массы Парусов, что станет последним кусочком головоломки движения местной группы — «это несоответствие, преследующее нас уже 25 лет», — говорит Краан-Кортевег. И даже если сверхскопление не отвечает за оставшееся движение, сбор сигналов того, что находится за Зоной избегания, поможет понять наше место во Вселенной.