В Институте космических исследований обсудили итоги работы космической обсерватории «Планк». Четыре с половиной года, проведенные в точке Лагранжа, прошли не зря: найден «мост» между двумя скоплениями галактик и уточнен возраст Вселенной.

В конце декабря 2013 года в Институте космических исследований РАН прошла всероссийская конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра». Конференции по этой тематике проводятся ежегодно с 2001 года, на них рассматривают вопросы, связанные с исследованиями рентгеновских и гамма-излучений, сопровождающих взрывы сверхновых, формирование скоплений галактик, поглощение чёрными дырами вещества и другие экстремальные события во Вселенной. Значительная часть конференции 2013 года была посвящена обсуждению самых последних результатов обзора неба в микроволновом диапазоне, который провела космическая обсерватория «Планк» (Европейское космическое агентство).

Микроволновая обсерватория «Планк».

«Мостик» из горячей плазмы длиной 10 миллионов световых лет между двумя скоплениям галактик.

Так выглядит Вселенная в микроволновом излучении. Её «тёплые» области выделены красным, «холодные» – синим.

Обсерваторию «Планк» вывели на орбиту 14 мая 2009 года и поместили в точку Лагранжа L2 на линии, проходящей через Солнце и Землю, в полутора миллионах километров за её орбитой. В точках Лагранжа  вблизи массивных небесных тел объект значительно меньшей массы может находиться неограниченно долго в состоянии равновесия. Большое удаление от Земли с её излучениями в световом, тепловом и радиодиапазонах позволило избавиться от внешних помех. А детекторы, воспринимающие очень слабое высокочастотное излучение и даже его флуктуации, охлаждали жидким гелием до температуры 0,1 К – иначе они не смогли бы его «заметить» из-за собственного тепла. Температура микроволнового реликтового излучения, то есть космического пространства, составляет 2,752 К, так что аппаратура «Планка» стала самой холодной областью Вселенной.

Охлаждённый гелием детектор выполнен в виде ажурной сетки и помещён в фокус антенны. Сетку нагревало излучение, температуру измеряла электроника. Ещё одна пара сеток, стоящих перпендикулярно одна другой, регистрировала поляризацию излучения, и астрофизики получили для исследования новый класс сведений о Вселенной.

Обсерватория проработала в «холодном режиме» с мая 2009 года по январь 2012, выполнив пять полных обзоров неба с использованием всех детекторов. Когда запасы жидкого гелия иссякли, работать продолжали только низкочастотные детекторы, которые менее чувствительны к помехам и могут работать без охлаждения. С ними «Планк» сделал ещё три полных обзора неба, после чего его аппаратуру выключили. Жизнь аппарата продлить было невозможно: его уникальная аппаратура, предназначенная только для точных измерений микроволнового фона, требует глубокого охлаждения.

На основе данных, полученных обсерваторией «Планк», планируют построить наиболее подробную карту флуктуаций яркости реликтового микроволнового излучения, которое возникло в момент Большого взрыва (точнее – вскоре после него, когда вещество за счёт расширения остыло настолько, что стало прозрачным) и ныне заполняет Вселенную. Вторая, не менее важная задача, стоявшая перед «Планком» – это поиск ранее неизвестных скоплений и сверхскоплений галактик. Они не видны ни в оптическом, ни в радиодиапазоне. Указать на их присутствие может только очень точно измеренные флуктуации микроволнового реликтового излучения, вызванные эффектом Сюняева-Зельдовича.

Эффект, предсказанный академиками Я. Зельдовичем и Р. Сюняевым, состоит в уменьшении яркости реликтового излучения в направлении на скопления галактик с очень горячим (десятки миллионов градусов) межгалактическим газом, то есть сильно ионизованной плазмой. При взаимодействии фотонов с её электронами происходит перераспределение энергии: количество высокочастотных фотонов (высокой энергии) увеличивается, а количество низкочастотных – уменьшается. Небо в субмиллиметровом диапазоне (средний фон излучения λ = 1,5 мм, f = 217 ГГц) в направлении на скопление чуть ярче (λ > 1 мм) фона, и больше ничем эти скопления себя не проявляют. Кроме того, спектр и яркость излучения в этом направлении зависит только от массы скопления и не зависит от расстояния до него. Значит, эффект Сюняева-Зельдовича даёт возможность обнаруживать скопления галактик и оценивать их массу на любых расстояниях, вплоть до самых границ видимой Вселенной.

По эффекту Сюняева-Зельдовича точно зарегистрировано 861 скоплений галактик, из которых 178 новых, а ещё 366 остаются под вопросом. Расстояния до них составляют примерно 7 миллиардов световых лет, то есть свет от них доходит к нам за время, примерно равное половине возраста Вселенной. Массы скоплений – от 1 до 16 триллионов масс Солнца.

Благодаря этому же эффекту между двумя скоплениями Abell 399 и Abell 401, в миллиарде световых лет от нас, обнаружили «мост» – перемычку длиной 10 миллионов световых лет из раскалённого до 80 миллионов градусов газа (плазмы).

Ещё более интересным результатом стало открытие сверхскопления галактик, которое содержит как минимум три скопления, в каждом из которых порядка тысячи галактик.
Скопления галактик, эти самые массивные объекты Вселенной, содержат сведения о её эволюции, о динамике её расширении, о происходивших в ней физических процессах. И, в частности, о роли во всём этом загадочной тёмной энергии, которая проявляет себя только на очень больших расстояниях.

В микроволновом диапазоне можно обнаружить излучение холодных пылевых облаков (оно выглядит как «дырка» на общем фоне) и проследить за рождением в них звёзд. По вариациям микроволнового фона – очень малым изменениям его температуры и поляризации – можно понять, как происходило расширение Вселенной, в том числе и на стадии инфляции, когда она «раздувалась» со сверхсветовой скоростью и зарегистрировать гравитационные волны, возникшие при этом процессе.

 Благодаря данным «Планка» астрофизики уже уточнили возраст Вселенной – 13,82 миллиарда лет, и её «состав». Согласно сделанным оценкам, на долю видимой материи приходится 4,9% массы Вселенной и примерно 26,8% тёмной материи, найденной пока только по косвенным признакам. Остальные 31,7% – тёмная энергия, о природе которой можно только строить гипотезы (согласно одной – это остатки скалярного поля, возникшего с периода инфляции). Именно она ответственна и за ускоренное расширение Вселенной, которое наблюдается сегодня.

В настоящее время «Планк» выведен из точки Лагранжа, где он мог бы мешать исследовательским аппаратам следующего поколения, и переведён на удалённую гелиоцентрическую орбиту. Там он сможет оставаться достаточно долго, чтобы лет через сто его смогли бы отыскать, опустить на Землю и поместить в будущий Музей космонавтики.

Обсерватория «Планк» работу завершила, но её данные обрабатывают, и они по-прежнему остаются источником новых открытий. А поскольку поиск новых скоплений и сверхскоплений галактик остаётся актуальным, на смену «Планку» планируют запуск новых аппаратов – рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» (Россия и Германия), разрабатывают концепцию проекта PRISM для регистрации микроволнового фона с гораздо более высокой чувствительностью и ряд других наземных и космических приборов.