VIVOS VOCO: В.Г.Сурдин, "Сверхскопление Шепли - крупнейший архипелаг галактик"

Сверхскопление Шепли -
крупнейший архипелаг галактик

В.Г. Сурдин,
кандидат физико-математических наук
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга
Москва

Усилия многих астрономов в течение последних десятилетий направлены на то, чтобы согласовать два противоречивых факта из истории Вселенной. С одной стороны, в раннюю космологическую эпоху материя заполняла пространство чрезвычайно однородно, о чем свидетельствует высочайшая изотропность приходящего к нам на Землю вестника той эпохи - реликтового микроволнового излучения, угловые флуктуации яркости которого не превышают 0.001%. С другой стороны, в современной нам Вселенной вещество распределено крайне неоднородно: оно собрано в звезды, галактики и скопления галактик, образующие иерархию гравитационно связанных объектов. Чтобы согласовать эти два факта, нужно понять, как из практически однородного вещества сформировалась весьма сложная наблюдаемая структура Вселенной. Какие силы и какое вещество играли в этом процессе определяющую роль?

Найти ответы помогает изучение крупнейших космических структур - сверхскоплений галактик, находящихся вблизи поворотной точки своей истории, когда вещество от космологического расширения переходит к сжатию под действием собственной гравитации и к формированию устойчивых структурных единиц. В близкой к нам окрестности Вселенной, до расстояний, где красное смещение в спектрах галактик не превышает z = 0.1, крупнейшим наблюдаемым образованием является Сверхскопление Шепли - гигантская система галактик, масса которой в тысячи раз превышает массу нашего Млечного Пути. За последнее время астрономы существенно продвинулись в изучении этого своеобразного звездного архипелага. Но почему именно он так привлек внимание ученых?

Измерение реликтового излучения в разных направлениях на небе показало, что на фоне средней интенсивности излучения, имеющего чернотельную температуру Т = 2.73 К, наблюдаются два полюса с плавным переходом между ними. В направлении на созвездие Льва регистрируется теплый полюс, где температура излучения на 3.5 мК выше средней, а в противоположном направлении (на созвездие Водолея) - прохладный полюс, где она на столько же ниже средней. Наличие такой дипольной вариации температуры с амплитудой чуть более 0.1% не противоречит тому, что было сказано выше о высокой однородности реликтового излучения, поскольку эта вариация не имеет отношения к самому излучению, а лишь отражает движение наблюдателя по отношению к нему (согласно эффекту Доплера, в том направлении, куда движется Земля, интенсивность излучения выше, а в противоположном - ниже).

Многолетние наблюдения реликтового излучения легко выявляют годичное обращение Земли вокруг Солнца, чем еще раз и совершенно независимо подтверждают правоту Коперника. За пределом Солнечной системы также известны источники притяжения, вынуждающие Землю двигаться относительно реликтового излучения: вместе с Солнцем наша планета обращается вокруг центра Галактики, а сама Галактика движется под действием притяжения ближайших звездных систем. Астрономы уже подробно изучили наше ближнее внегалактическое окружение: вместе с более крупной спиральной галактикой в созвездии Андромеды - известной Туманностью Андромеды - и еще двумя дюжинами более мелких галактик наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы галактик, отделенной от прочих звездных систем весьма приличным расстоянием. Учет движения нашей Галактики относительно других членов Местной группы показал, что последняя движется относительно реликтового излучения как целое со скоростью

635 км/с в направлении центра созвездия Гидры. Естественно ожидать встречи по курсу с ближайшим крупным скоплением галактик, но оно, как известно, находится в созвездии Девы, под углом около 45° к направлению “полета” Местной группы. Где же тогда источник притяжения - загадочный аттрактор, заставивший Местную группу галактик довольно быстро “плыть” в море реликтового излучения?

В 1990-е годы астрономы, казалось, нашли этот аттрактор, обнаружив изрядное скопление галактик в направлении созвездий Гидры и Кентавра. На рисунке это Сверхскопление Гидры-Кентавра располагается вблизи основания конусов, на расстоянии около c·z = 3000 км/с от нас (большие межгалактические расстояния астрономы предпочитают указывать непосредственно в значениях точно измеряемой скорости удаления объектов; эта скорость, как доказал Э.Хаббл, пропорциональна расстоянию, но коэффициент пропорциональности - постоянная Хаббла - до сих пор измерен не очень точно). Однако дальнейшие наблюдения показали, что Сверхскопление Гидры-Кентавра движется в общем потоке с Местной группой галактик под действием притяжения еще более далекого и массивного аттрактора.

Распределение галактик в двух взаимно перпендикулярных проекциях, развернутых по небесным координатам - прямому восхождению (угловые часы, 1h = 15°) и склонению (градусы). В основании конусов - Земля. Расстояние указано в единицах лучевой скорости (км/с), определенной по красному смещению линий в спектре галактики. Угловые расстояния на рисунке в несколько раз преувеличены.

Только тогда астрономы вспомнили, что еще в 1930 г. известный американский исследователь Харлоу Шепли (1885-1972) указывал на “облако галактик в Кентавре, которое выглядит одним из самых населенных среди обнаруженных до сих пор и имеет форму овала размером около 2.8°ґ0.8°”. В центре этой области находится очень богатое скопление галактик Шепли-8, отождествленное с рентгеновским источником SC 1326-311 и ныне более известное как скопление Abell 3558. Нужно заметить, что данную область неба, имеющую склонение около –30°, весьма сложно изучать из обсерваторий Северного полушария, поэтому сведения об ее далеких галактиках на этом участке неба накапливались очень медленно. Но за последние годы при помощи 3.6-метрового телескопа Европейской южной обсерватории в Чили и 2.5-метрового телескопа обсерватории Лас Кампанас (там же) астрономы измерили на том же участке координаты и скорости нескольких тысяч галактик и смогли наконец изучить их расположение в пространстве и взаимное движение (Reisenegger A., Quintana H., Proust D., Slezak E. The ESO Messenger. 2002. №107. P.18-23).

Выяснилось, что Шепли был прав: в направлении созвездия Кентавра, близ его границы с созвездием Гидры, присутствует гигантское уплотнение вещества, вобравшее в себя множество скоплений галактик и отдельных звездных систем. Разные исследователи называли его Сверхскоплением Кентавра, Альфа-областью, но в последнее время остановились на названии - Сверхскопление Шепли. Его расстояние от нас около c·z = 14000 км/с (т.е. около 200 Мпк или 650 млн св. лет), а угловой диаметр в несколько раз превышает размер лунного диска. Чтобы понять меру ответственности Сверхскопления Шепли за быстрое движение окружающих его галактик, в том числе и нашей, необходимо определить массу этой гигантской супергалактической структуры.

Казалось бы, простая задача: достаточно подсчитать количество галактик в сверхскоплении и умножить их число на массу типичной галактики. Но этот способ не годится, поскольку кроме галактик в сверхскоплении есть и невидимое межгалактическое вещество, причем в количестве большем, чем сосредоточенное в галактиках. О полной массе сверхскопления можно судить только по силе его тяготения. Но как ее оценить? Согласно второму закону Ньютона, действующей на галактику силе пропорционально ее ускорение, но мы пока научились измерять лишь скорости галактик. Впрочем, иногда бывает достаточно знать скорость. Например, скорость движения спутника вокруг Земли (V = 8 км/с) и радиус его орбиты (R = 6500 км) дают нам достаточные данные для вычисления массы планеты (M = RV²/G, G - гравитационная постоянная). Но это лишь в том случае, когда спутник движется по стационарной орбите. Если скопление звезд достигло стационарного состояния, то по скоростям отдельных звезд можно судить о полной массе их скопления; то же справедливо и в отношении скоплений галактик.

Однако применить этот способ к Сверхскоплению Шепли астрономы не решились. Дело в том, что самые крупные структуры Вселенной еще не достигли стационарного состояния. Наблюдения реликтового излучения показали, что в раннюю космологическую эпоху амплитуда флуктуаций плотности материи уменьшалась с ростом масштаба. Поэтому первыми из общего однородного фона выделились самые мелкие уплотнения, масштаба шаровых звездных скоплений. Их космологическое расширение быстро остановилось и перешло к сжатию, вызвав формирование в них звезд. Во вселенной, имеющей критическую плотность (как наша Вселенная), такое образование перестает расширяться, когда его плотность примерно в шесть раз превышает среднюю. Поэтому давно уже перестали расширяться и достигли стационарного состояния шаровые скопления, галактики, скопления галактик и даже центральные области сверхскоплений, но не их периферия, где плотность вещества лишь немного превышает среднюю плотность Вселенной. Эти малоплотные области еще продолжают свое расширение, хотя уже и не такое быстрое, как наиболее разреженные области нашего мира. В далеком будущем периферия сверхскоплений также перестанет расширяться и даже немного сожмется, перейдя к устойчивому состоянию. Но в нашу эпоху к сверхскоплению в целом еще нельзя применять описанный выше простой метод измерения массы, требующий стационарности всей системы.

Чтобы решить проблему, А.Рейзенеггер и его коллеги создали компьютерную модель нестационарного Сверхскопления Шепли и, используя все данные о наблюдаемых в нем галактиках и скоплениях галактик, оценили его полную массу. В пределах радиуса в 11.4 Мпк, охватывающего большую часть сверхскопления, его масса составляет (2-13)·10¹⁵ M_¤, что соответствует средней плотности сверхскопления от 3 до 20 средних плотностей Вселенной. Пока большей точности получить не удается, но и этот результат весьма важен. Расчеты показывают: чтобы притяжением к Сверхскоплению Шепли объяснить быстрое движение Местной группы галактик относительно реликтового излучения, масса сверхскопления должна была бы составлять около 3·10¹⁷M_¤, т. е. быть в десятки раз выше измеренной. Следовательно, хотя астрономы выяснили строение крупнейшего архипелага галактик в местной области Вселенной, проблема загадочного аттрактора все еще не решена.