Первое за последние десятилетия рентгеновское исследование Вселенной каталогизировало и измерило самые большие образования в космосе: скопления сотен или тысяч галактик. Их массы показывают, как быстро материя слипалась воедино на протяжении всей космической истории, и они рассказывают историю, которая одновременно радует и разочаровывает: Вселенная примерно такая же комковатая, как предсказывает стандартная космологическая теория.
«Это очень огорчит многих теоретиков», — говорит Витторио Гирардини из Института внеземной физики Макса Планка (MPE), член миссии под названием eROSITA (расширенное рентгеновское исследование с помощью матрицы телескопов для визуализации). «Они хотят найти что-то новое, но теория все работает нормально».
eROSITA — немецкий инструмент, запущенный в 2019 году на борту российского спутника «Спектр-РГ», на котором также установлен российский телескоп меньшего размера. Его цель — завершить первую перепись источников рентгеновского излучения по всему небу с тех пор, как ROSAT, еще одна миссия под руководством Германии, сделала это в 1990-х годах. 31 января команда eROSITA опубликовала свою первую партию данных, каталогизируя 900 000 источников на половине неба — уже больше, чем было известно за 60 лет рентгеновской астрономии. Список включает 710 000 сверхмассивных черных дыр в сердцах далеких галактик, 180 000 звезд, достаточно горячих, чтобы излучать рентгеновские лучи в нашем Млечном Пути, а также остатки сверхновых, пульсары и другие объекты. «Качество изображений было ошеломляющим даже для нас», — говорит главный исследователь Андреа Мерлони из MPE.
Каталог также содержит 12 000 скоплений галактик, являющихся одними из крупнейших структур во Вселенной. Каждая из них изобилует галактиками и пронизана тонким газом, сжимаемым множеством галактик до тех пор, пока он не станет достаточно горячим, чтобы испускать рентгеновские лучи. Используя подмножество этих кластеров, а именно 5259 из них, исследователи eROSITA измерили эволюцию Вселенной.
Современная теория утверждает, что Вселенная состоит из трех основных компонентов: примерно 5% обычной материи, вещества звезд, планет и газа между ними; 25% загадочной темной материи, невидимой материи, гравитация которой удерживает вместе вращающиеся галактики и искажает свет фоновых галактик; и 70% темной энергии — врожденного давления в пустом пространстве, которое ускоряет расширение Вселенной. Теория называется лямбда-CDM, где лямбда относится к константе, которая придает пространству присущую ему упругость, а CDM означает холодную темную материю.
Лямбда-CDM очень хорошо описывает вселенную, но в некоторых отношениях близлежащая Вселенная выглядит не совсем так, как должна была бы развиваться в соответствии с лямбда-CDM. Космологи спорят, вызваны ли эти противоречия просто предвзятостью измерений или являются тревожным намеком на то, что лямбда-CDM ошибочен. Одно несоответствие касается постоянной Хаббла, скорости расширения Вселенной: в наших космических окрестностях галактики разлетаются быстрее, чем, по мнению лямбда-CDM, они должны.
Второе противоречие, менее известное, касается параметра под названием S8, который описывает, насколько комковатой является Вселенная. Оптические исследования могут измерить это, изучая формы далеких галактик, чтобы увидеть, как изображения искажаются гравитационным влиянием всей сгустившейся материи, как темной, так и светлой, между галактикой и Землей. Это явление называется слабым гравитационным линзированием. Слипание отражает перетягивание каната между гравитацией и темной энергией. Каждое из трех оптических исследований показало, что близлежащая Вселенная менее комковатая, чем предсказывает лямбда-CDM, — намек на то, что темная энергия сильнее, чем должна быть.
Исследователи eROSITA используют другой подход. Изучив рентгеновскую яркость каждого скопления и объединив ее с данными исследований на других длинах волн, они смогут оценить его массу. Имея оценки массы всех своих скоплений, они могут вычислить S8: насколько структурирована или комковата материя во всем космосе. Они считают, что это близко к теоретическому предсказанию. «Мы не обнаруживаем напряжения», — говорит член команды Эсра Бюльбюль из MPE. «Нет необходимости в новой физике».
Офер Лахав из Университетского колледжа Лондона, старший научный сотрудник «Обзора темной энергии», одного из исследований слабого линзирования, говорит, что «интригует» то, что новое открытие противоречит трем исследованиям слабого линзирования. Но Джо Данкли, космолог из Принстонского университета, пока не готова сказать, что напряжение S8 исчезло. «Здесь что-то происходит», — говорит она. «Пока рано говорить, что проблема заключается в слабом линзировании».
Команда eROSITA также получила значения для других космологических чисел, включая w — параметр, который описывает силу темной энергии. Согласно лямбда-CDM оно должно быть ровно –1. Большинство измерений близки к этому показателю, и eROSITA с ним соглашается, устанавливая его на уровне –1,12 с погрешностью +/–0,12. Для Гирардини это самый значимый результат eROSITA. «Это 70% содержимого Вселенной», — говорит он. «Мы хотим знать, что это такое».
Однако не все теоретики хотят, чтобы измерения S8 и w соответствовали ожиданиям. «Многие из нас надеются увидеть что-то, отличающееся от того, что мы имеем», — говорит Данкли, поскольку аномалии могут указать путь к новому пониманию космоса.
eROSITA также приняла участие в поисках массы нейтрино. Большой взрыв породил бесчисленное количество этих крошечных частиц, но они взаимодействуют с другими частицами настолько редко, что измерить их массу чрезвычайно сложно. Однако из-за их обилия в космосе их гравитация влияет на распределение материи.
По результатам своего исследования команда eROSITA оценила общую массу трех различных типов нейтрино не более 0,22 электронвольта. Это значение составляет менее одной миллионной массы электрона и, опять же, соответствует другим измерениям. «Чем больше у нас независимых измерений кластеризации материи, тем лучше ограничения мы можем наложить на массы нейтрино», — говорит Данкли.
Исследователи eROSITA надеются повысить точность своих измерений. Через 2 года они, вероятно, опубликуют остальные данные, собранные за первые 2,5 года наблюдений. Но eROSITA, возможно, так и не сможет завершить запланированное на 4 года исследование. В феврале 2022 года команда перевела прибор в спящий режим после того, как Германия запретила любое исследовательское сотрудничество с Россией. С тех пор никаких наблюдений не велось. «Это в подвешенном состоянии», — говорит Мерлони.
Результаты eROSITA являются предвкушением того, с чем исследователям придется столкнуться через несколько лет, когда они начнут получать данные от нескольких предстоящих крупномасштабных исследований, включая европейский космический телескоп Евклид и обсерваторию Веры К. Рубин, телескоп в Чили, поддерживаемый США. Стефано Боргани, директор Астрономической обсерватории Триеста, говорит, что результаты eROSITA «действительно демонстрируют, как далеко мы можем зайти в ближайшие годы».
