Повышение яркости космического фонового радиоизлучения в направлении на скопления галактик
- Authors: Гребенев С.А.1, Сюняев Р.А.1,2
-
Affiliations:
- Институт космических исследований РАН
- Институт астрофизики Общества им. Макса Планка
- Issue: Vol 50, No 3 (2024)
- Pages: 183-207
- Section: Articles
- URL: https://vestnikugrasu.org/0320-0108/article/view/674422
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320010824030013
- EDN: https://elibrary.ru/NSGEBQ
- ID: 674422
Cite item
Abstract
Исследована возможность регистрации в направлении скоплений галактик избытка космического фонового радиоизлучения из-за его комптоновского рассеяния на электронах горячего межгалактического газа. При картографировании флуктуаций фона на частотах ниже ≤ 800 МГц этот эффект ведет к появлению на месте скопления радиоисточника. На более высоких частотах, где в космическом фоне доминирует микроволновое (реликтовое) излучение, на месте скопления наблюдается “отрицательный” источник (“тень” на карте флуктуаций фона), что связано с переносом при рассеянии части реликтовых фотонов вверх по оси частот (в область ν ≥ 217 ГГц, Сюняев, Зельдович, 1970, 1972). В работе рассчитаны спектры ожидаемых искажений фонового радиоизлучения для разных параметров скоплений, показано, что во многих случаях в широком диапазоне частот 30 МГц ≤ ν ≤ 3 ГГц измерению искажений будет препятствовать собственное тепловое (тормозное) излучение межгалактического газа, а также рассеянное радиоизлучение галактик скоплений, связанное с их былой активностью, включая синхротронное излучение выброшенных релятивистских электронов. Ниже ~20 МГц эффект рассеяния всегда преобладает над тепловым излучением газа из-за общего роста интенсивности космического радиофона, однако высокоточные измерения на таких частотах становятся сложными. Ниже ~5 МГц эффект подавляется индуцированным рассеянием. В работе найдены диапазоны частот, оптимальные для поиска и измерения комптоновского избытка фонового радиоизлучения. Показано, что наиболее перспективны для его наблюдения горячие (kTe ≥ 8 кэВ) скопления, находящиеся на больших (z ≥ 0.5) красных смещениях. Из-за сильной концентрации тормозного излучения к центру скопления периферийные наблюдения комптоновского избытка должны быть предпочтительнее центральных. Более того, благодаря тепловому излучению газа и его концентрации к центру, отмеченный выше переход от “отрицательного” источника на карте флуктуаций фона к “положительному” при движении вниз по оси частот должен происходить не плавно, а через стадию “гибридного источника” – появления яркого пятна, окруженного темным кольцом. Такой вид источника в проекции объясняется его необычной трехмерной формой в виде узкого пика тормозного радиоизлучения, поднимающегося из центра широкой глубокой ямы, связанной с комптоновским рассеянием реликтового излучения. Рассеянное излучение активной в прошлом центральной галактики скопления может усилить эффект. Аналогичный “гибридный источник” появляется на карте флуктуаций фона и вблизи частоты 217.5 ГГц – при переходе от дефицита реликтового изучения к избытку (за счет фотонов, испытавших рассеяние). Необычная форма источника при этом вновь связана с тепловым излучением газа. Одновременные измерения потока тормозного радиоизлучения газа и амплитуды искажений из-за рассеяния фонового радио- и реликтового излучения позволят определять важнейшие параметры скопления.
Full Text

About the authors
С. А. Гребенев
Институт космических исследований РАН
Author for correspondence.
Email: grebenev@iki.rssi.ru
Russian Federation, Москва
Р. А. Сюняев
Институт космических исследований РАН; Институт астрофизики Общества им. Макса Планка
Email: grebenev@iki.rssi.ru
Russian Federation, Москва; Гархинг, Германия
References
- Абазажян и др. (K. Abazajian, G. Addison, P. Adshead, Z. Ahmed, S.W. Allen, D. Alonso, M. Alvarez, A. Anderson, et al.), arXiv:1907.04473 (2019).
- Аде и др. (P. Ade, J. Aguirre, Z. Ahmed, S. Aiola, A. Ali, D. Alonso, M.A. Alvarez, K. Arnold, et al.), J. Cosm. Astropart. Phys. 02, 056 (2019).
- Амири и др. (CHIME/Pulsar Collaboration: M. Amiri, K.M. Bandura, P.J. Boyle, C. Brar, J.-F. Cliche, K. Crowter, D. Cubranic, P. B. Demorest, et al.), Astrophys. J. Suppl. Ser. 255, 5 (2021).
- Арно (M. Arnaud), Astron. Astrophys. 500, 103 (2009).
- Биркиншоу (M. Birkinshaw), Phys. Rep. 310, 97 (1999).
- Блим и др. (L.E. Bleem, B. Stalder, T. de Haan, K.A. Aird, S.W. Allen, D.E. Applegate, M.L.N. Ashby, M. Bautz, et al.), Astrophys. J. Suppl. Ser. 216, 27 (2015).
- Блим и др. (L.E. Bleem, S. Bocquet, B. Stalder, M.D. Gladders, P.A. R.Ade, S.W. Allen, A.J. Anderson, J. Annis, et al.), Astrophys. J. Suppl. Ser. 247, 25 (2020).
- Брунетти и др. (G. Brunetti, G. Setti, L. Feretti, G. Giovannini), MNRAS 320, 365 (2001).
- Бхат и др. (N.D.R. Bhat, J.M. Cordes, F. Camilo, D.J. Nice, D.R. Lorimer), Astrophys. J. 605, 759 (2004).
- Бэкон и др. (Square Kilometre Array Cosmology Science Working Group: D.J. Bacon, R.A. Battye, P. Bull, S. Camera, P.G. Ferreira, I. Harrison, D. Parkinson, A. Pourtsidou, et al.), Publ. Astron. Soc. Austral. 37, 7 (2020).
- ван Вирен и др. (R. J. van Weeren, F. de Gasperin, H. Akamatsu, M. Bruggen, L. Feretti, H. Kang, A. Stroe, F. Zandanel), Space Sci. Rev. 215, 16 (2019).
- Вентури и др. (T. Venturi, S. Giacintucci, D. Dallacasa, R. Cassano, G. Brunetti, S. Bardelli, G. Setti), Astron. Astrophys. 484, 327 (2008).
- Вилльямсон и др. (R. Williamson, B.A. Benson, F.W. High, K. Vanderlinde, P.A.R. Ade, K.A. Aird, K. Andersson, R. Armstrong, et al.), Astrophys. J. 738, 139 (2011).
- Ву и др. (F. Wu, J. Li, S. Zuo, X. Chen, S. Das, J.P. Marriner, T. M. Oxholm, A. Phan, et al.), MNRAS 506, 3455 (2021).
- Гребенев С.А., Сюняев Р.А., Письма в Астрон. журн. 45, 835 (2019) [S.A. Grebenev, R.A. Sunyaev, Astron. Lett. 45, 791 (2019)].
- Гребенев, Сюняев (S.A. Grebenev, R.A. Sunyaev), J. Cosm. Astroph. Phys., submitted (2024).
- Давел, Тайлор (J. Dowell, G.B. Taylor), Astrophys. J., 858, L9 (2018).
- Джонас и др. (J. Jonas, and MeerKAT Team), Proc. “MeerKAT Science: On the Pathway to the SKA” (Stellenbosch, South Africa), 1 (2016).
- Джонс, Форман (C. Jones, W. Forman), Astrophys. J. 276, 38 (1984).
- Ди Масколо (DiMascolo), PhD Thesis, LudwigMaximilian University (2020).
- Доусон и др. (K.S. Dawson, W.L. Holzapfel, J.E Carlstrom, M. Joy, S.J. LaRoque, A.D. Miller, D. Nagai), Astrophys. J. 581, 86 (2002).
- Зельдович Я.Б., Новиков И.Д., Строение и эволюция Вселенной, М.: Наука (١٩٧٥).
- Зельдович Я.Б., Сюняев Р.А., Астрофизика и космическая физика (ред. Р.А. Сюняев М.: Наука/Физматлит, с. 9 (1982).
- Кавальери, Фуско-Фемиано (A. Cavaliere, R. Fusco-Femiano), Astron. Astrophys. 49, 137 (1976).
- Камерун (A.G. W. Cameron), в “Ядерная астрофизика” (ред. Ч. Барнс, Д. Клейтон, Д. Шрамм, пер. под ред. А.Г. Масевич), с. 33) 1986 [in “Essays in Nuclear Astrophysics. Presented to William A. Fowller” (eds. C.A. Barnes, D.D. Clayton, D.N. Schramm), Cambridge Univ. Press, p. 23 (1982)].
- Канден и др. (J.J. Condon, W.D. Cotton, E.B. Fomalont, K.I. Kellermann, N. Miller, R.A. Perley, D. Scott, T. Vernstrom, J.V. Wall), Astrophys. J. 758, 23 (2012).
- Карлстром и др. (J.E. Carlstrom, G.P. Reese, D. Erik), Ann. Rev. Astron. Astrophys. 40, 643 (2002).
- Кассано и др. (R. Cassano, V. Cuciti, G. Brunetti, A. Botteon, M. Rossetti, L. Bruno, A. Simionescu, F. Gastaldello, et al.), Astron. Astrophys. 672, A43 (2023).
- Коллаборация PLANCK (Planck Collaboration: P.A.R. Ade, N. Agranim, C. Armitage-Caplan, M. Arnaud, M. Ashdown, F. Atrio-Barandela, J. Aumont, H. Aussel, et al.), Astron. Astrophys. 571, id. A29 (2014).
- Коллаборация PLANCK (Planck Collaboration: P.A.R. Ade, N. Agranim, C. Armitage-Caplan, M. Arnaud, M. Ashdown, F. Atrio-Barandela, J. Aumont, H. Aussel, et al.), Astron. Astrophys. 581, id. A14 (2015).
- Коллаборация PLANCK (Planck Collaboration: P.A.R. Ade, N. Agranim, M. Arnaud, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi, A.J. Banday, R.B. Barreiro, et al.), Astron. Astrophys. 594, id. A27 (2016).
- Компанеец А.С., Журн. Эксп. Теор. Физ. 31, 876 (1956) [Kompaneets, A. S., Sov. Phys. JETP 4, 730 (1957)].
- Кордc, Лацио (J.M. Cordes, T.J. Lazio), Astrophys. J. 376, 123 (1991).
- Курей (A. Cooray), Phys. Rev. D 73, 103001 (2006).
- Кучити и др. (V. Cuciti, G. Brunetti, R. van Weeren, A. Bonafede, D. Dallacasa, R. Cassano, T. Venturi, R. Kale), Astron. Astrophys. 609, A61 (2018).
- Кучити и др. (V. Cuciti, R. Cassano, G. Brunetti, D. Dallacasa, R.J. vanWeeren, S. Giacintucci, A. Bonafede, F. de Gasperin, et al.), Astron. Astrophys. 647, A50 (2021).
- Е.В. Левич, Р.А. Сюняев, Астрон. журн. 48, 461 (1971) [E. V. Levich, R.A. Sunyaev, Sov. Astron. 15, 363 (1971)].
- Ленг К. “Астрофизические формулы (руководство для физиков и астрофизиков)” (ред. пер. Л.А. Покровский, В.Л. Хохлова), Мир: М., том 1, с. 68 (1978) [K.R. Lang “Astrophysical formulae (A Compendium for the Physicist and Astrophysicist)”, Springer-Verlag (1974)].
- Ли и др. (E. Lee, J. Chluba, and G.P. Holder), MNRAS 512, 5153L (2022).
- Маеда и др. (K. Maeda, H. Alvarez, J. Aparici, J. May, P. Reich), Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 140, 145 (1999).
- Мрочковский и др. (T. Mroczkowski, D. Nagai, K. Basu, J. Chluba, J. Sayers, R. Adam, E. Churazov, A. Crites, et al.), Space Sci. Rev. 215, 17 (2019).
- Поздняков Л.А., Соболь И.М., Сюняев Р.А., Итоги науки и техники (сер. Астрономия) (М.: ВИНИТИ, ١٩٨٢), т. ٢١, с. ٢٣٨ [L. A. Pozdnyakov, I. M. Sobol’, and R. A. Syunyaev, Sov. Sci. Rev., Sec. E: Astrophys. Space Phys. Rev. ٢, ١٨٩ (١٩٨٣)].
- Райх и др. (P. Reich, J.C. Testori, W. Reich), Astron. Astrophys. 376, 861 (2001).
- Ремазейл и др. (M. Remazeilles, C. Dickinson, A.J. Banday, M.-A. Bigot-Sazy, T. Ghosh), MNRAS 451, 4311 (2015).
- Роджер и др. (R.S. Roger, C.H. Costain, T.L. Landecker, C.M. Swerdlyk), Astron. Astrophys. 137, 7 (1999).
- Сабир и др. (A. Sabyr, J.C. Hill, B. Boliet), Phys. Rev. D 106, 023529 (2022).
- Сазонов С.Ю., Сюняев Р.А., Письма в Астрон. журн. 27, 563 (2001) [S.Yu. Sazonov, R.A. Sunyaev, Astron. Lett. 27, 481 (2001)].
- Сейферт и др. (M. Seiffert, D.J. Fixsen, A. Kogut, S.M. Levin, M. Limon, P.M. Lubin, P. Mirel, J. Singal, et al.), Astrophys. J. 734, 6 (2011).
- Сехгал и др. (N. Sehgal, S. Aiola, Y. Akrami, K. Basu, M. Boylan-Kolchin, S. Bryan, C. M. Casey, S. Clesse, et al.), BAAS 51, 6 (2019).
- Сингал и др. (J. Singal, N. Fornengo, M. Regis, G. Bernardi, D. Bordenave, E. Branchini, N. Cappelluti, A. Caputo, et al.), PASP 135, 1045, id.036001 (2023).
- Сюняев (R.A. Sunyaev), Astrophys. Lett. 7, 19 (1970).
- Сюняев Р.А., Письма в Астрон. журн. 6, 387 (1980) [R.A. Sunyaev, Sov. Astron. Lett. 6, 213 (1980)].
- Сюняев, Зельдович (R.A. Sunyaev, Ya.B. Zeldovich), Astrophys. Sp. Sci. 7,3 (1970).
- Сюняев, Зельдович (R.A. Sunyaev, Ya.B. Zeldovich), Comm. Astrophys. Sp. Phys. 4, 173 (1972).
- Сюняев, Зельдович, (R.A. Sunyaev, Ya.B. Zeldovich), Ann. Rev. Astron. Astrophys. 18, 537 (1980).
- Сюняев, Зельдович, (R.A. Syunyaev, Ya.B. Zeldovich), Sov. Sci. Rev., Sec. E: Astrophys. and Space Phys. Rev., 1, 1 (1981).
- Фиксен и др. (D.J. Fixsen, A. Kogut, S. Levin, M. Limon, P. Lubin, P. Mirel, M. Seiffert, J. Singal, et al.), Astrophys. J. 734, 5 (2011).
- де Хаан и др. (T. de Haan, B.A. Benson, L.E. Bleem, S.W. Allen, D.E. Applegate, M.L.N. Ashby, M. Bautz, M. Bayliss, et al.), Astrophys. J. 832, 95 (2016).
- ван Хаарлем и др. (M.P. van Haarlem, M.W. Wise, A.W. Gunst, G. Heald, J.P. McKean, J.W.T. Hessels, A.G. de Bruyn, R. Nijboer, et al.), Astron. Astrophys. 556, A2 (2013).
- Хазелфилд и др. (M. Hasselfield, M. Hilton, T.A. Marriage, G.E. Addison, L.F. Barrientos, N. Battaglia, E. S. Battistelli, J.R. Bond, et al.), JCAP 07, 008 (2013).
- Хардкастл и др. (M.J. Hardcastle, T.W. Shimwell, C. Tasse, P.N. Best, A. Drabent, M.J. Jarvis, I. Prandoni, H.J.A. RÖttgering, et al.), Astron. Astrophys. 648, 10 (2021).
- Хилл, Лонгейр (J.M. Hill, M.S. Longair), MNRAS 154, 125 (1971).
- Хилтон и др. (M. Hilton, C. Sifon, S. Naess, M. Madhavacheril, M. Oguri, E. Rozo, E. Rykoff, T. M. C. Abbott, et al.), Astrophys. J. Suppl. Ser. 253, 3 (2021).
- Холдер, Хлуба (G.P. Holder, J. Chluba), Astrophys. J., arXiv:2110.08373 (2021).
- Хотан и др. (A.W. Hotan, J.D. Bunton, A.P. Chippendale, M. Whiting, J. Tuthill, V.A. Moss, D. Mc Connell, S.W. Amy, et al.), Publ. Astron. Soc. Austral. 38, 9 (2021).
Supplementary files
