Эффект Сюняева-Зельдовича

Эффект Сюняева–Зельдовича (СЗ-эффект) представляет собой взаимодействие реликтового излучения (космического микроволнового фона, КМФ) с горячей ионизованной плазмой, преимущественно находящейся в скоплениях галактик. Данный эффект — ключевой инструмент наблюдательной космологии, позволяющий получать независимую информацию о распределении барионного вещества, характеристиках крупномасштабных структур, а также параметрах ΛCDM-модели Вселенной.

Комптоновское рассеяние как основной механизм

Ядром эффекта Сюняева–Зельдовича является обратное комптоновское рассеяние фотонов КМФ на горячих электронах межгалактической среды. В этом процессе фотоны, имеющие характерную энергию порядка 0.00024 эВ (температура КМФ ~2.725 К), получают дополнительную энергию за счёт столкновений с релятивистскими электронами (типично температурой 5–15 кэВ).

Это приводит к искажению спектра КМФ в направлении скоплений галактик. В наблюдаемом диапазоне частот возникает:

  • уменьшение интенсивности излучения на частотах ниже ~218 ГГц (эффект подавления);
  • увеличение интенсивности на более высоких частотах (эффект прироста).

Спектральный ноль (точка, в которой эффект СЗ становится нулевым) соответствует частоте около 217–218 ГГц.

Две компоненты эффекта: тепловой и кинематический

1. Тепловой эффект Сюняева–Зельдовича (tSZ):

Тепловой СЗ-эффект возникает из-за рассеяния фотонов КМФ на термально распределённых электронах горячей плазмы. Его интенсивность определяется интегралом от давления электронного газа вдоль луча зрения:

$$ y = \frac{k_B \sigma_T}{m_e c^2} \int n_e T_e \, dl, $$

где

  • y — параметр Комптона,
  • kB — постоянная Больцмана,
  • σT — сечение Томсона,
  • me — масса электрона,
  • c — скорость света,
  • ne — концентрация электронов,
  • Te — температура электронного газа,
  • dl — элемент длины вдоль луча зрения.

Тепловой эффект не зависит от красного смещения скопления, поскольку КМФ существует повсеместно и его энергия увеличивается с ростом z, как и плотность электронов при фиксированной массе газа.

2. Кинематический эффект Сюняева–Зельдовича (kSZ):

Кинематическая компонента возникает при наличии коллективного движения электронного газа относительно системы отсчёта КМФ. Фотоны, рассеянные на движущихся электронах, испытывают доплеровское смещение частоты:

$$ \frac{\Delta T}{T_{\text{CMB}}} = - \frac{\sigma_T}{c} \int n_e (\vec{v} \cdot \hat{n}) \, dl, $$

где

  • v⃗ ⋅ n̂ — проекция скорости электрона на луч зрения.

Эффект линейно зависит от лучевой скорости, но, в отличие от теплового, не обладает характерным спектральным искажением — он сохраняет форму спектра КМФ, но вызывает небольшие температурные флуктуации.

Особенности наблюдений и спектральные свойства

Тепловой СЗ-эффект доминирует в миллиметровом диапазоне и наблюдается как уменьшение температуры КМФ в радиодиапазоне (ниже 218 ГГц), и как её повышение в субмиллиметровом (выше этой частоты).

Типичное искажение спектра в первом порядке приближения:

$$ \frac{\Delta I}{I_0} = y \cdot f(x), $$

где

  • $x = \frac{h \nu}{k_B T_{\text{CMB}}}$,
  • $f(x) = x^4 \cdot \frac{e^x}{(e^x - 1)^2} \left[ x \cdot \coth \left(\frac{x}{2}\right) - 4 \right]$.

Сильные поправки к этому выражению возникают при высоких температурах электронов (нужны релятивистские поправки), а также при учёте неоднородности плазмы.

Значение для космологии и астрофизики

Масса и структура скоплений

СЗ-эффект даёт прямую информацию о давлении электронного газа, а значит — о термодинамическом состоянии скоплений. Комбинируя данные СЗ-эффекта с рентгеновскими наблюдениями, можно восстановить профили плотности и температуры газа, определять массы скоплений, использовать их в тестах ΛCDM-модели.

Независимость от красного смещения

Одна из важнейших особенностей СЗ-эффекта — его независимость от расстояния (красного смещения). В отличие от потока излучения (затухающего как  ∝ 1/DL2), параметр y остаётся постоянным при одинаковом давлении газа, что делает СЗ-эффект особенно мощным инструментом поиска высокоздальных скоплений.

Измерение постоянной Хаббла

Комбинируя СЗ-эффект с рентгеновскими измерениями и предполагая сферическую симметрию, можно получить угловой диаметр скопления и, зная красное смещение, определить постоянную Хаббла H0. Это даёт независимую от лестницы расстояний оценку космологических параметров.

Вклад в анизотропию КМФ

Хотя основной вклад в анизотропию КМФ формируется в эпоху рекомбинации, вторичные анизотропии — включая СЗ-эффект — становятся значимыми на малых угловых масштабах (высокие значения мультипольного числа ℓ). Это особенно актуально для карт с высоким разрешением, таких как карты Planck, SPT и ACT.

Современные обзоры и методы измерения

Эффект Сюняева–Зельдовича наблюдается с помощью специализированных СЗ-обзоров: – South Pole Telescope (SPT) – Atacama Cosmology Telescope (ACT) – Planck Surveyor – MUSTANG и NIKA2 (на IRAM)

Большинство этих обзоров выявили тысячи скоплений, включая объекты на z > 1, ранее недоступные оптическим и рентгеновским методам. Современные методы включают использование многочастотной фильтрации, апертурных фотометрий и байесовских реконструкций.

Сравнение СЗ-эффекта с другими данными (оптическими, рентгеновскими, гравитационное линзирование) даёт представление о неравновесных процессах в скоплениях: мерджингах, ударных волнах, турбулентности, активности центральной галактики и др.

Будущие перспективы и важные задачи

  1. Ранняя Вселенная и крупномасштабная структура: СЗ-эффект от диффузного газа вне скоплений (так называемый эффект Вебера–Зельдовича–Ковнера) может дать информацию о космической паутине, филаментах и WHIM (warm-hot intergalactic medium).

  2. Релятивистские поправки: Высокоточные измерения СЗ-эффекта позволяют определять не только температуру, но и спектральные искажения, вызванные релятивистским движением электронов.

  3. Поляризация СЗ-эффекта: Взаимодействие анизотропного КМФ с электронным газом может индуцировать слабую поляризацию рассеянного излучения, открывая новые направления для диагностики движения газа в скоплениях.

  4. Картирование начальных флуктуаций: Эффект СЗ позволяет отделить первичную анизотропию КМФ от вторичной, что критично при реконструкции начальных условий образования структуры во Вселенной.

Эффект Сюняева–Зельдовича, как один из наиболее изощрённых инструментов наблюдательной космологии, остаётся мощным средством исследования как отдельных объектов, так и глобальных параметров космологической модели.

Оглавление