Древнейшее скопление галактик оказалось неожиданно горячим уже через 1,4 млрд лет после Большого взрыва
Всего через 1,4 млрд лет после Большого взрыва, когда крупные скопления галактик, согласно теориям, ещё только начинали формироваться, объект под названием SPT2349−56 уже выглядел «взрослым». Учёные обнаружили, что газ между его галактиками нагрет как минимум в пять раз сильнее ожидаемого, а суммарная тепловая энергия примерно в десять раз превышает уровень, который могла бы обеспечить одна лишь гравитация.
SPT2349−56 находится на расстоянии около 12 млрд световых лет. В таких ранних эпохах скопления обычно представляют собой разрозненные и сравнительно холодные системы, где вещество ещё продолжает собираться. Однако в этом случае измерения показали совершенно иную картину.
Руководитель исследования, аспирант Университета Британской Колумбии Дачжи Чжоу, отметил, что сначала усомнился в результатах: сигнал оказался слишком сильным. После многомесячной проверки команда подтвердила, что газ действительно намного горячее, чем предполагают модели, и по своим свойствам сопоставим с веществом в зрелых скоплениях современной Вселенной.
Температуру газа удалось измерить с помощью массива радиотелескопов ALMA в Чили, зафиксировав эффект Сюняева — Зельдовича. Он возникает, когда высокоэнергичные электроны в горячем газе передают часть своей энергии реликтовому микроволновому излучению, оставляя измеримый след. Этот сигнал показал, что межгалактическая среда скопления уже находится в состоянии, характерном для гораздо более поздних стадий эволюции.
При этом SPT2349−56 отличается не только высокой температурой. В центральной области диаметром около 500 тысяч световых лет — сопоставимой с размером гало Млечного Пути — сосредоточено более 30 галактик. Совокупная скорость звездообразования в них примерно в 5000 раз превышает темпы в нашей галактике. Внутри этой плотной системы обнаружены по меньшей мере три сверхмассивные чёрные дыры, активно поглощающие окружающее вещество.
В современных скоплениях основная часть обычной материи находится не в звёздах, а в виде разреженной плазмы между галактиками. Она нагревается до десятков миллионов градусов по мере того, как скопление медленно сжимается под действием собственной гравитации. Для молодых скоплений такой этап должен наступать значительно позже. SPT2349−56, по словам авторов работы, словно «пропустило» эту стадию.
Учёные связывают аномальный нагрев именно с активностью сверхмассивных чёрных дыр. Выбросы и потоки энергии, возникающие при их росте, в плотной среде ранней Вселенной не могли эффективно рассеиваться. В результате энергия оставалась внутри системы, перегревая газ и создавая условия, которые исследователи прозвали с «космической скороваркой».
Открытие ставит под вопрос одно из базовых предположений космологии — что нагрев межгалактического газа в скоплениях происходит постепенно и следует за ростом их массы. Если чёрные дыры способны доминировать в энергетическом балансе уже на столь ранних этапах, то эволюция скоплений может включать короткие, но крайне интенсивные фазы, которые пока не учитываются в моделях.
Остаётся неясным, является ли SPT2349−56 редким исключением или примером распространённой, но ранее неуловимой стадии формирования крупнейших структур Вселенной. Авторы продолжают изучение объекта, чтобы понять, как связаны между собой экстремальное звездообразование и активность чёрных дыр. Пока же находка указывает на то, что некоторые скопления галактик «повзрослели» гораздо быстрее и в куда более жёстких условиях, чем считалось ранее.