Астрофізика під час футболу: перевірка ОТГ на галактичних масштабах і відсутня баріонна речовина

Ріс. 1. Еліптична галактика ESO 325-G004. Далека галактика лінзується на ній, в результаті чого утворюється кільце Ейнштейна (на врізці). Воно стає помітним після віднімання з вихідного знімка випромінювання галактики ESO 325-G004 (без такої обробки кільце Ейнштейна затьмарюється світлом від центральної області галактики). Зображення з обговорюваної статті в Science

Поки світ стежив за іграми групового етапу Чемпіонату світу з футболу, наука не стояла на місці. Наприкінці червня вийшли дві статті з дуже нетривіальними астрофізичними результатами. У першій статті вчені, скориставшись тим, що галактика ESO 325-G004 лінзує більш далеку галактику, змогли порахувати масу ESO 325-G004 двома способами і завдяки цьому оцінити значення параметра, який в рамках загальної теорії відносності повинен бути рівний 1. Обчислене значення добре узгоджується з вимогою ОТГ. У другій роботі вдалося зафіксувати сліди, які залишили у спектрі далекого блазара дві хмари вкрай гарячого міжгалактичного газу. Раніше такі хмари ніяк не «проявлялися», так що вчені нарешті змогли виявити хоча б частину відсутньої баріонної речовини Всесвіту.

Наприкінці червня в журналах Science і Nature вийшли дві статті з важливими результатами, які підтверджують, що наші уявлення про устрій Всесвіту досить добре відображають дійсність.

У статті групи вчених з університетів Британії, Німеччини та США на чолі з Томасом Коллеттом (Thomas E. Collett), опублікованій 22 червня в Science перевіряється застосовність загальної теорії відносності (ОТГ) на основі вимірювань, виконаних за межами нашої Галактики. Це — найточніша на сьогоднішній день верифікація цієї теорії в масштабах декількох тисяч світлових років. Варто зазначити, що саме такі характерні розміри найбільш компактних карликових галактик.

Перевірки ОТГ на різних космічних масштабах проводилися не раз і, безсумнівно, будуть повторюватися. Значною мірою це пов’язано з відкритим наприкінці минулого століття прискоренням розширення Всесвіту, яке зараз мало ким оскаржується (єретики є, але їх небагато). У рамках Стандартної космологічної моделі це прискорення, як відомо, приписується впливу темної енергії, природа якої поки залишається нез’ясованою. Однак його можна пояснити і без залучення цієї гіпотези, якщо тим чи іншим способом змінити рівняння гравітаційного поля — іншими словами, відмовитися від ОТГ. Конкуруючих теорій тут вистачає, проте їх переконливість сильно підривається тим фактом, що в розпорядженні астрономів поки що немає спостережень, які б явно суперечили ейнштейновської теорії.

Теоретичною базою нового дослідження стало рівняння для метрики слабкого гравітаційного поля в Всесвіті фрідманівського типу, що розширюється, з простором постійної кривизни. У супутніх координатах воно виглядає так:

[mathrm{d}s^2= a^2(tau) left[-(1 + 2mathrm{Phi})mathrm{d}tau^2 + (1 -2 mathrm{Psi})g_{ij}mathrm{d}x^imathrm{d}x^j right],]

де — одна з форм часової координати (це конформний час (див. particle horizon), що дозволяє фізично природним чином визначати часові проміжки у Всесвіті, що розширюється), xⁱ і x^j — просторові координати, g_ij — тривимірний метричний тензор, a (^) — масштабний фактор Всесвіту.   і Лід — два гравітаційних потенціали, причому   — потенціал ньютонівського поля тяжіння, а Лід — потенціал, пов’язаний з викривленням тривимірного простору. У теорії Ейнштейна обидва потенціали в точності збігаються, і тому їх відношення ^ = ^/   завжди дорівнює одиниці. Водночас багато альтернативних теорій, що претендують на пояснення розширення Всесвіту без залучення темної енергії, розглядають його як масштабно-залежний змінний параметр. Тому вимірювання цієї величини на різних масшатабах вважаються одним з найперспективніших способів перевірки ОТГ.

Такі вимірювання не раз проводилися, проте отримані результати поки неоднозначні. У межах Сонячної системи він збігається з одиницею з точністю до тисячних часток відсотка. Однак цей результат цілком очікуємо, оскільки викривлення простору сонячною гравітацією дуже незначне. А спостереження в масштабах десятків і сотень мільйонів світлових років дозволили визначити величину порожніх з похибкою 20-30 відсотків. В результаті питання про її сталість або мінливість залишається відкритим.

Коллетт і його колеги працювали з даними спостережень гігантської еліптичної галактики ESO 325-G004, розташованої в сузір’ї Центавра на відстані 465 млн світлових років від Сонця. Вони використовували показання двох інструментів: спектроскопа MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), встановленого на телескопі Yepun (одному з чотирьох восьмиметрових телескопів комплексу VLT Європейської Південної обсерваторії, розташованої на горі Серро-Параналь в Чилі), і оглядової камери ACS (Advanced Camuresa) Спектроскоп MUSE дозволив зібрати дані про швидкості зірок, що входять до складу ESO 325-G004, і на цій основі оцінити її динамічну масу (див. віріальна маса). Камера ACS дала можливість виміряти радіус кільця Ейнштейна (див. Einstein ring), що виникло завдяки гравітаційному лінзуванню галактикою ESO 325-G004 світла іншого зоряного скупчення, віддаленого від нас приблизно на 10 мільярдів світлових років (рис. 1). Цей радіус залежить від маси лінзуючої галактики, так що його визначення дає можливість оцінити цю масу другим і абсолютно незалежним способом. Співвідношення між обома оцінками маси дається формулою M_din = (1 + ^ )/2· _Mlensing. Легко бачити, що при ­ = 1 обидві оцінки збігаються, а в іншому випадку вони різні. Варто зазначити, що обидва набори вимірювань дали досить точні результати завдяки порівняльній близькості ESO 325-G004 до нашої Галактики.

Теоретичний аналіз зібраних даних показав, що в центрі ESO 325-G004 лежить чорна діра, тягнучи на 3,8 мільярдів сонячних мас. Але це був, так би мовити, додатковий бонус. Куди важливіше, що вимірене чисельне значення параметра — 0,97 ст.10,09. Цей результат справедливий в масштабах радіусу кільця Ейнштейна, який в даному випадку склав приблизно 2 кілопарсека (близько 6 тисяч світлових років, кутовий радіус — приблизно три секунди дуги). Таким чином, ОТГ вперше витримала випробування при перевірці її застосовності на космічних дистанціях цього порядку. Цей результат дозволяє відсіяти кілька альтернативних моделей динаміки Всесвіту.

Двома днями раніше, 20 червня, в журналі Nature з’явилася стаття міжнародної групи астрономів і астрофізиків, очолюваної співробітником Національного астрофізичного інституту Італії Фабріціо Нікастро (Fabrizio Nicastro). Можливо, їм вдалося хоча б частково вирішити стару загадку, яку зазвичай називають проблемою відсутніх барионів. Згідно Стандартної космологічної моделі, мас-енергетичний баланс Всесвіту приблизно на 70% забезпечений внеском темної енергії, і ще на 25% — темної матерії. Решта 5 відсотків речовини Всесвіту майже повністю складаються з баріонної компоненти — ядер водню, гелію і більш важких елементів (звичайно, є ще електрони, нейтрино і фотони, проте їх внесок зневажливо малий). Ця оцінка зроблена на основі аналізу флуктуацій спектру реліктового випромінювання, які несуть на собі «відбиток» процесів первинного нуклеосинтезу в щойно виниклому Всесвіті. Більш того, вивчення оптичних спектрів дуже далеких квазарів переконливо показує, що всі «вирахувані» баріони дійсно існували на ранній стадії еволюції Всесвіту, коли його вік не перевищував 2-3 мільярдів років.

Однак тут і виникає проблема. Досі максимально повний облік баріонної матерії, що міститься в зоряній речовині, холодному внутрішньогалактичному газі, галактичних гало і так званому теплому і гарячому міжгалактичному середовищі (warm-hot intergalactic medium, WHIM) забезпечував виявлення лише 61% «розрахункової» кількості баріонів (до речі, зірки містять всього лише 7% їх загальної маси). Правда, при цьому вдалося врахувати лише речовину найнижчою (її-то і називають теплою) компоненти WHIM, де температура газу лежить в діапазоні від ста тисяч до півмільйона градусів. У силу такого «скромного» нагріву ця компонента містить незначну кількість нейтрального водню. Оскільки його атоми зберігають свої електрони, вони можуть випромінювати фотони різних енергій, які надійно реєструються астрономічною апаратурою. Вивчення цих спектрів, виконане в останні роки, показало, що тепла компонента WHIM містить близько 15% баріонної речовини Всесвіту — тобто, приблизно чверть його повної маси, виявленої досі. Досить істотний дефіцит 39% залишався необзованим.

У 2012 році двоє з числа авторів обговорюваної статті в Nature Чарльз Данфорт (Charles Danforth) і Майкл Шулл (Michael Shull) запропонували вирішення цієї проблеми. Вони припустили, що відсутні баріони в основному укриті у виконинських струменях дуже гарячого (нагрітого до мільйонів і десятків мільйонів градусів) газу, що з’єднують скупчення і надскупчення галактик. Наявність цих струменів, так званих філаментів, надійно встановлено численними спостереженнями. Філаменти заповнені найгарячішою компонентою WHIM, що містить практично повністю іонізований водень.

Запропоноване пояснення спостережуваного баріонного дефіциту при всій його переконливості непросто перевірити. З одного боку, надгорячий водень всередині філаментів надзвичайно розріжний (від однієї до десяти частинок на кубічний метр), та й розміри філаментів порівняно невеликі (1-10 мегапарсек). З іншого боку, протони, що залишилися без електронів, не можуть бути джерелом характерних лінійчастих спектрів, що дозволяють встановити наявність цього газу. Однак філаменти можуть містити слідові кількості сильно іонізованих атомів інших елементів, що містять частину електронів у пов’язаному стані. Ці іони можуть генерувати випромінювання з цілком розпізнаваними спектральними характеристиками, що лежить в ультрафіолетовій та/або рентгенівській зоні. Правда, очікувана інтенсивність таких сигналів надзвичайно мала, так що їх детектування — дуже непростий виклик для дослідників.

Тепер це завдання вдалося принаймні частково вирішити завдяки апаратурі європейської космічної рентгенівської обсерваторії XMM-Newton. Нікастро і його колеги з її допомогою накопичили дані про випромінювання дуже яскравого рентгенівського блазара 1ES 1553 + 113, віддаленого від Чумацького Шляху не менш ніж на 2200 мегапарсек (близько 7 мільярдів світлових років). По дорозі до Землі це випромінювання пройшло через два філаменти міжгалактичного гарячого газу, розташованих на різних відстанях від нашої Галактики (їх червоні зміщення дорівнюють 0,36 і 0,43, рис. 2). Перетинаючи філаменти, воно переводило в збуджені стани сильно іонізовані атоми кисню, що містять всього по парі (замість належних восьми) електронів. Ці іони з покинутими на верхні енергетичні рівні електронами в свою чергу породжували вторинне рентгенівське випромінювання, яке і реєструвала обсерваторія. Збір цієї інформації, виконаний у 2015-17 роках, зажадав досить тривалого часу (1,75 мільйона секунд — це майже 490 годин), що дозволило забезпечити значне перевищення сигналу над шумом. Накопичені дані дозволили встановити концентрацію кисневих іонів у філаменті і на цій основі вирахувати його баріонну компоненту — правда, у вельми широкому діапазоні значень.

Ріс. 2. Схема дослідження спектру блазара 1ES 1553 + 113. У його рентгенівській області були виявлені сліди, які, як вважають вчені, виникли через проходження світла від блазара через два філаменти міжгалактичного гарячого газу. Зображення з популярного синопсису до обговорюваної статті в Nature

Автори дійшли висновку, що перенесення відомостей про іонів водню та інших елементів, що знаходяться всередині цих двох філаментів, на весь космічний простір дозволяє врахувати від 9 до 40 відсотків загального баріонного наповнення Всесвіту. Легко бачити, що верхня межа цього сегмента практично точно відповідає спостережуваному баріонному дефіциту, проте нижня сильно йому поступається. Так що додаткові спостереження, звичайно, необхідні, але непоганий заділ вже є.

Справедливості заради треба зазначити, що припущення, на яких заснована наведена оцінка баріонної щільності, ще потребують уточнення. Червоне зміщення блазара 1ES 1553 + 113 встановлено лише приблизно, відомо лише, що воно не може бути менше 0,41. Це не ставить під сумнів можливість проходження його світла через найближче з двох філаментів, але питання про «просвічування» більш віддаленого філаменту поки залишається відкритим. Також не виключено, що випромінювання блазара хоча б частково поглинається не філаментами, а внутрішньогалактичним газом, проте Нікастро і його співавтори вважають таку можливість малоймовірною.

Загалом, роботи ще багато, проте початок покладено. Нікастро і члени його команди планують продовжити дослідження за допомогою приладів як обсерваторії XMM-Newton, так і американського орбітального рентгенівського телескопа «Чандра». Однак остаточного вирішення проблеми космічного баріонного дефіциту, ймовірно, доведеться чекати до запуску європейської космічної обсерваторії Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), запланованого на 2028 рік.

Джерела:

1) Thomas E. Collett, Lindsay J. Oldham, Russell J. Smith, Matthew W. Auger, Kyle B. Westfall, David Bacon, Robert C. Nichol, Karen L. Masters, Kazuya Koyama, Remco van den Bosch. A precise extragalactic test of General Relativity // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aao2469.

2) F. Nicastro, J. Kaastra, Y. Krongold, S. Borgani, E. Branchini, R. Cen, M. Dadina, C. W. Danforth, M. Elvis, F. Fiore, A. Gupta, S. Mathur, D. Mayya, F. Paerels, L. Piro, D. Rosa-Gonzalez, J. Schaye, J. M. Shull, J. Torres-Zafra, N. Wijers & L. Zappacosta. Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1.

Олексій Левін