Эффект Сюняева – Зельдовича

Главная Глоссарий Математические вычисления и доказательства

Эффекту Сюняева—Зельдовича, пред­сказанному Р. А. Сюняевым и Я.Б.Зельдовичем в 1969 году, посвящены сотни работ теоретиков и наблюдателей, и их поток возрастает. Природа эффекта очень проста: рассеяние фотонов космиче­ского микроволнового фонового — реликтового — излучения горячим электронным газом, находящимся в богатых скоплениях галактик, искажает чисто чернотельный спектр этого излучения. Богатые скопления содержат сотни и тысячи галактик, их массы превышают 3·1014 и доходят до 1015 . Размеры скоплений — несколько мегапарсек (1 Мпк= 3.086 • 1024 см) в поперечнике. Богатые скопления наблюдались уже первыми рентгеновскими спутниками как источники рентгеновского излучения.

 Это излучение интерпретируется как тормозное излучение межгалактического газа с температурой Tе порядка 108 К. Вообще говоря, многие рентгеновские источники рассматриваются как тепловые с малой оптической толщиной, а формирование их спектров приписывается тормозному механизму, т. е. их излучательная способность представляется формулой

где(**)

Экспоненциальный множитель определяет характерный для тормозного излучения так называемый завал по частоте, по которому легко узнать действие тормозного механизма в объекте с таким наблюдаемым спектром и оценить температуру. Интегральная мощность излучения единицы объема

 (*)

Если подставить в (*) значения всех постоянных и считать множитель Гаунта gсс равным единице, то получится

В случае газа в скоплениях такая интерпретация подтвер­ждается тем, что одновременно наблюдаются эмиссионные линии водородо - и гелиеподобных атомов железа с энергиями около 7 кэВ, которые приписываются рекомбинационному механизму. Потенциал ионизации водородоподобного атома железа (заряд ядра Z = 26) равен 13.6Z2 = 9.0 кэВ, а линия La, возбуждаемая электронными ударами, имеет энергию (3/4)9.0 = 6.8 кэВ. Еще одно свидетельство заключается в том, что температура газа может быть оценена и по гравитационному потенциалу, с которым газ находится в гидростатическом равновесии, так что средняя кинетическая (тепловая) энергия частицы равна ее гравитационной энергии:

Напомним, что 1 кэВ= 1.60207-10¯9 эрг и соответствует 11.6·106 К (7 кэВ ≈ 8 • 107 К) или длине волны 12 А (7 кэВ ≈ 1.8 А). Это рентгеновский диапазон.

Электронные концентрации газа пе, определяемые по мощности излучения, порядка 10¯3 ÷ 10¯2 1/см3. Этому соответствуют массы газа   , так что масса газа составляет заметную часть (1/3 ÷1/4) массы галактик в скоплении. В последнее время иногда считают, что масса газа в некоторых скоплениях даже превосходит массу галактик.

Можно показать, что время установления равновесного состояния такого газа существенно меньше космологического, так что функция распределения газа по импульсам — максвелловская, что оправдывает применение формул (**). Действительно, характерное время релаксации электронного газа при кулоновских взаи­модействия

 где    

Величина— томсоновское сечение,

— классический радиус электрона,

Для случая газа скоплений получается

     Хаббловское же время порядка 1017с. При этом химический состав газа оказывается не первичным, а примерно солнечным.  РИ однородно и изотропно, его спектр с высокой степенью точности подчиняется формуле Планка

с температурой, Tr = T0 = 2,7277 K так что максимум его интенсивности (по частотам) располагается на длине волны 1.87 мм.

Эффект С—3 наблюдается, естественно, также в радиодиапа­зоне, причем в сантиметровом и миллиметровом он проявляется в ослаблении реликтового излучения, а в субмиллиметровом — в его усилении. Все фотоны получают от электронов дополнительную энергию, так что вся планковская кривая сдвигается в сторону больших частот. Поэтому до максимума кривая понижается, а после максимума — повышается. Причина этого — комптоновское рассеяние. Это рассеяние фотона электроном (или, наоборот) с учетом изменения их энергий.