Galaktikų spiečiai ir superspiečiai

Скупчення галактик і суперскупчення

Найбільші гравітаційно зв'язані системи, що формують космічну мережу та впливають на галактики членів скупчення

Галактики у космосі не самотні. Вони збираються у скупчення – величезні структури, що складаються зі сотень або навіть тисяч галактик, пов’язаних спільною гравітацією. На ще більшому масштабі існують суперскупчення, які об’єднують багато скупчень у нитках космічної мережі. Ці гігантські структури домінують у найщільніших частинах Всесвіту, визначають розподіл галактик і впливають на кожну галактику скупчення. У цій статті ми розглянемо, що таке скупчення і суперскупчення галактик, як вони формуються і чому вони важливі для розуміння великомасштабної космології та еволюції галактик.

1. Визначення скупчень і суперскупчень

1.1 Скупчення галактик: ядро космічної мережі

Скупчення галактик – це гравітаційно зв’язана система, яка може містити від кількох десятків до тисяч галактик. Загальна маса скупчень зазвичай становить ∼1014–1015 M⊙. Окрім галактик, у них є:

  1. Гало темної матерії: Більшість маси скупчення (~80–90 %) складає темна матерія.
  2. Гаряче міжскупчине середовище (ICM): Розріджений, дуже гарячий газ (температура 107–108 K), що випромінює в рентгенівському діапазоні.
  3. Взаємодіючі галактики: Галактики скупчення зазнають здирання газу при русі через гаряче середовище (ram-pressure stripping), «harassment» або злиття, оскільки частота зіткнень висока.

Скупчення часто виявляють, шукаючи високу концентрацію галактик в оптичних дослідженнях, спостерігаючи рентгенівське випромінювання ICM або використовуючи ефект Саньяєва–Зельдовича – викривлення фотонів космічного мікрохвильового фону через гарячі електрони в скупченні.

1.2 Суперскупчення: вільніші, більші структури

Суперскупчення не є повністю гравітаційно зв'язаними, скоріше це вільні асоціації скупчень галактик і груп, з'єднаних нитками. Вони простягаються від кількох десятків до сотень мегапарсек, демонструючи найбільші структури Всесвіту та найщільніші вузли космічної мережі. Хоча деякі частини суперскупчень можуть бути взаємозв'язані, не всі області цих утворень будуть стабільно колапсувати на космічних часових масштабах, якщо вони не повністю сформовані.

2. Формування та еволюція скупчень

2.1 Ієрархічне зростання в моделі ΛCDM

Згідно з сучасною космологічною моделлю (ΛCDM), гало темної матерії ростуть ієрархічно: спочатку формуються менші гало, які об'єднуються, утворюючи з часом групи галактик і скупчення. Основні етапи:

  1. Ранні флуктуації густини: Невеликі відмінності густини, що утворилися після інфляції, поступово «зникають».
  2. Стадія груп: Галактики спочатку збираються в групи (~1013 M⊙), які пізніше приєднують додаткові гало.
  3. Стадія скупчення: Коли групи об'єднуються, формуються скупчення, в яких гравітаційний потенціал достатньо глибокий, щоб утримувати гарячий ICM.

Найбільші гало скупчень можуть продовжувати зростати, приєднуючи ще більше галактик або зливаючись з іншими скупченнями, формуючи найбільш масивні гравітаційно зв’язані структури Всесвіту [1].

2.2 Міжскупчине середовище та нагрівання

Коли групи зливаються у скупчення, газ, що втягується, ударно нагрівається до віральної температури, що сягає десятків мільйонів градусів, створюючи джерело рентгенівського випромінювання — гаряче міжскупчине середовище (ICM). Ця плазма суттєво впливає на галактики скупчення, наприклад, через ram-pressure stripping.

2.3 Впорядковані та невпорядковані скупчення

Деякі скупчення, що зазнали великих злиттів раніше, називають «впорядкованими» (relaxed), з рівномірним рентгенівським сяйвом і однією глибокою гравітаційною потенційною ямою. Інші демонструють явні субструктури, що свідчать про поточні або недавні зіткнення — фронти ударних хвиль у ICM або кілька окремих скупчень галактик вказують на невпорядковане (unrelaxed) скупчення (наприклад, «Скупчення Кулі») [2].

3. Особливості спостережень

3.1 Рентгенівське випромінювання

Гарячий ICM у скупченнях є потужним рентгенівським джерелом. Телескопи, як Chandra та XMM-Newton, спостерігають:

  • Термічне випромінювання вільних заряджених частинок (bremsstrahlung): Гарячі електрони, що випромінюють у рентгенівському діапазоні.
  • Хімічний склад: Спектральні лінії, що вказують на важкі елементи (O, Fe, Si), розкидані над надновими в галактиках скупчення.
  • Профілі скупчення: Розподіл густини та температури газу, що дозволяє реконструювати розподіл маси та історію злиттів.

3.2 Оптичні огляди

Щільне скупчення червоних, еліптичних галактик у центрі скупчення характерне для скупчень. Спектральні дослідження допомагають виявляти багаті скупчення (наприклад, Coma) за ущільненим підтвердженим червоним зсувом членів. Часто в центрі скупчення знаходять масивну «Найяскравішу галактику скупчення» (BCG), що вказує на глибоку гравітаційну яму.

3.3 Ефект Суньяєва–Зельдовича (SZ)

Гарячі електрони ICM можуть взаємодіяти з фотонами космічного мікрохвильового фону, надаючи їм трохи більше енергії. Так виникає унікальний ефект SZ, що зменшує інтенсивність CMB вздовж лінії скупчення. Цей метод дозволяє виявляти скупчення майже незалежно від їх відстані [3].

4. Вплив на галактики скупчення

4.1 «Зривання» газу (ram-pressure) та гасіння

Коли галактика рухається з великою швидкістю через щільний гарячий ICM, газ «зривається». Таким чином втрачається паливо для зореутворення, тому утворюються газодефіцитні, «червоні та неактивні» еліптичні або S0 галактики.

4.2 «Harassment» та припливно-відпливні взаємодії

У щільних скупченнях близькі прольоти галактик можуть порушувати зоряні диски, формувати викривлення чи стрижні. Така повторювана «harassment» динаміка з часом нагріває спіральну зоряну складову і перетворює її на лінзоподібну (S0) [4].

4.3 BCG і яскраві члени

Найяскравіші галактики скупчення (BCG), зазвичай розташовані близько до центру скупчення, можуть значно зростати через «галактичний канібалізм» — приєднуючи супутники або зливаючись з іншими великими членами. Вони мають дуже розтягнуті зоряні гало і часто особливо масивні чорні діри, що випускають потужні радіо струмені або активність AGN.

5. Суперскупчення і космічна мережа

5.1 Нитки і порожнечі

Суперскупчення з’єднують скупчення через нитки галактик і темної матерії, а порожнечі (voids) заповнюють рідкісніші проміжки. Така «тканина» мережі виникає з великомасштабного розподілу темної матерії, що визначив початкові флуктуації густини [5].

5.2 Приклади суперскупчень

  • Місцеве суперскупчення (LSC): Включає скупчення Діви (Virgo), Нашу Групу (де знаходиться Чумацький Шлях) та інші близькі групи.
  • Суперскупчення Шеплі: Одне з найбільш масивних у місцевому Всесвіті (~200 Мпк відстані).
  • Sloan Велика Стіна: Гігантська структура суперскупчень, виявлена в дослідженнях Sloan Digital Sky Survey.

5.3 Гравітаційна зв’язність?

Багато суперскупчень не є повністю віральними — вони можуть «розпадатися» через розширення Всесвіту. Лише деякі більш щільні частини суперскупчень остаточно колапсують у майбутні гало скупчень. Через прискорене розширення великомасштабні нитки можуть «розтягуватися» і розріджуватися, поступово відокремлюючи їх від навколишнього середовища космічними часовими масштабами.

6. Космологія скупчень

6.1 Функція мас скупчень

Обчислюючи скупчення як функцію маси та червоного зсуву, космологи тестують:

  1. Густина матерії (Ωm): Вища густина означає більше скупчень.
  2. Темна енергія: Швидкість росту структур (включно зі скупченнями) залежить від властивостей темної енергії.
  3. σ8: Амплітуда початкових флуктуацій густини визначає, як швидко формуються скупчення [6].

Дослідження в рентгенівському діапазоні та SZ дозволяють точно визначати маси скупчень, що дає суворі обмеження космологічним параметрам.

6.2 Гравітаційне лінзування

Гравітаційне лінзування на масштабах скупчень також допомагає оцінити масу скупчення. Сильне лінзування формує гігантські дугоподібні джерела або множинні зображення, а слабке лінзування незначно спотворює форми фонових галактик. Ці вимірювання підтверджують, що звичайна (видима) матерія становить лише невелику частку маси скупчень — домінує темна матерія.

6.3 Баріонна частка і КМФ

Відношення мас газу (баріонів) до загальної маси скупчення показує універсальну частку баріонів, яку порівнюють з даними космічного мікрохвильового фону (КМФ). Ці дослідження постійно підтверджують модель ΛCDM і уточнюють баріонний баланс Всесвіту [7].

7. Еволюція скупчень і суперскупчень у часі

7.1 Протоскупчення з великим червоним зсувом

Спостерігаючи далекі (високого z) галактики, виявляють протоскупчення – щільні скупчення молодих галактик, які незабаром можуть «розпастися» у повноцінні скупчення. Деякі яскраві галактики зі зореутворенням або AGN при z∼2–3 виявляються в таких ущільнених регіонах, що передбачають сучасні масивні скупчення. JWST і великі наземні телескопи дедалі частіше виявляють ці протоскупчення, визначаючи невеликі ділянки неба з найбагатшими «групами червоного зсуву» галактик і активним зореутворенням.

7.2 Злиття самих скупчень

Скупчення можуть зливатися між собою, формуючи надзвичайно масивні системи – «зіткнення скупчень» генерують ударні фронти в ICM середовищі (наприклад, «Скупчення Куля») і виявляють субгало структури. Це – найбільші гравітаційно зв'язані події у Всесвіті, що вивільняють величезні обсяги енергії, які нагрівають гази і реорганізовують галактики.

7.3 Майбутнє суперскупчень

Зі збільшенням розширення Всесвіту (під пануванням темної енергії) ймовірно, що значна частина суперскупчень так і не колапсує. У майбутньому злиття скупчень все ще відбуватимуться, формуючи величезні віральні гало, але найбільші частини ниток можуть розтягуватися і розріджуватися, зрештою відокремлюючи ці мегаструктури як «окремі Всесвіти».

8. Найвідоміші приклади скупчень і суперскупчень

  • Скупчення Coma (Abell 1656): Масивне, багате скупчення (~300 млн світлових років відстані), відоме великою кількістю еліптичних і S0 галактик.
  • Скупчення Діви (Virgo): Найближче багате скупчення (~55 млн світлових років), що включає гігантську еліптичну галактику M87. Належить до Місцевого суперскупчення.
  • Скупчення Куля (1E 0657-558): Демонструє зіткнення двох скупчень, де рентгенівські гази зміщені від скупчень темної матерії (визначених за допомогою лінзування) — важливе свідчення існування темної матерії [8].
  • Суперскупчення Шеплі: Одне з найбільших відомих суперскупчень, що простягається приблизно на 200 Мпк, складається з мережі пов'язаних скупчень.

9. Резюме та перспективи на майбутнє

Скупчення галактик – найбільші гравітаційно зв'язані системи – є найщільнішими вузлами космічної мережі, що показують, як матерія великого масштабу організовується. У них відбуваються складні взаємодії між галактиками, темною матерією та гарячою міжскупченною середовищем, що призводить до морфологічних змін і «гасіння» зореутворення у скупченнях. Водночас суперскупчення відображають ще ширшу структуру цих масивних вузлів і ниток, що формують каркас космічної мережі.

Спостерігаючи маси скупчень, аналізуючи рентгенівське та SZ випромінювання і оцінюючи гравітаційне лінзування, науковці визначають основні космологічні параметри, зокрема густину темної матерії та властивості темної енергії. Майбутні проекти (наприклад, LSST, Euclid, Roman Space Telescope) забезпечать тисячі нових відкриттів скупчень, ще точніше уточнюючи космічні моделі. Водночас глибокі спостереження дозволять виявити протоскупчення в ранніх епохах і детальніше відстежувати, як структури масштабу суперскупчень змінюються у швидко розширюваному Всесвіті.

Хоча самі галактики є дивовижними, їх колективна структура у масивних скупченнях та розширених суперскупченнях показує, що космічна еволюція є спільним явищем, де середовище, гравітаційне скупчення та зворотний зв’язок поєднуються, створюючи найбільші відомі нам структури Всесвіту.

Посилання та додаткове читання

  1. White, S. D. M., & Rees, M. J. (1978). “Конденсація ядра у важких гало – двоетапна теорія формування галактик і проблема відсутніх супутників.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 183, 341–358.
  2. Markevitch, M., et al. (2002). “Прямі обмеження на переріз самовзаємодії темної матерії з об’єднаного скупчення галактик 1E 0657–56.” The Astrophysical Journal, 567, L27–L30.
  3. Sunyaev, R. A., & Zeldovich, Y. B. (1970). “Взаємодія матерії та випромінювання у розширюваному Всесвіті.” Astrophysics and Space Science, 7, 3–19.
  4. Moore, B., Lake, G., & Katz, N. (1998). “Морфологічна трансформація внаслідок знущань над галактиками.” The Astrophysical Journal, 495, 139–149.
  5. Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “Як нитки вплітаються у космічну мережу.” Nature, 380, 603–606.
  6. Allen, S. W., Evrard, A. E., & Mantz, A. B. (2011). “Космологічні параметри за спостереженнями скупчень галактик.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 49, 409–470.
  7. Vikhlinin, A., et al. (2009). “Chandra Cluster Cosmology Project III: Обмеження космологічних параметрів.” The Astrophysical Journal, 692, 1060–1074.
  8. Clowe, D., et al. (2004). “Відновлення маси за слабким гравітаційним лінзуванням у взаємодіючому скупченні 1E 0657–558: Прямі докази існування темної матерії.” The Astrophysical Journal, 604, 596–603.
Повернутися до блогу