Карта, которой раньше не существовало: впервые реконструирована структура магнитного поля целого скопления галактик

Международный коллектив из 17 учёных с ведущим участием Итальянского национального института астрофизики (INAF) впервые построил полную карту магнитного поля скопления галактик — от его ядра до самых дальних, ещё гравитационно связанных окраин. Работа опирается на данные, собранные европейским радиотелескопом LOFAR (Low Frequency Array), и стала возможной благодаря новой методике анализа радиоизображений.

Объект исследования — скопление галактик Abell 2255, расположенное в созвездии Дракона на расстоянии около миллиарда световых лет от Земли. Это богатое скопление: по разным оценкам, в его состав входит от 300 до 500 галактик, а само оно, всё ещё формирующееся за счёт слияния более мелких структур, растянуто на несколько миллионов световых лет.

Уже больше двадцати лет Abell 2255 считается одним из самых сложных объектов радионеба. В его центре находится одно из первых открытых в истории радиоастрономии радиогало — гигантское диффузное радиоизлучение, не привязанное к отдельным галактикам, а заполняющее собой всю внутрикластерную среду. Ранние снимки LOFAR этого скопления получили неформальное название «прекрасный беспорядок» — настолько запутанной оказалась структура волокон и нитей радиоизлучения в его ядре.

Источник этого свечения — синхротронное излучение: оно возникает, когда релятивистские электроны (частицы, разогнанные почти до скорости света) движутся по спиралям вдоль силовых линий магнитного поля. То есть всё диффузное радиоизлучение скопления — это, по сути, видимый след магнитного поля, пронизывающего межгалактический газ.

Наблюдения ведёт радиотелескоп LOFAR — сеть из нескольких десятков антенных станций, разбросанных по Нидерландам, Германии, Франции, Великобритании, Ирландии, Польше, Швеции, Латвии и Италии, работающая в диапазоне 10–240 МГц. В декабре 2023 года LOFAR получил статус общеевропейской исследовательской инфраструктуры (LOFAR ERIC), что подчёркивает его роль как одного из главных технологических предшественников будущей обсерватории SKA (Square Kilometre Array).

Определить структуру и ориентацию магнитного поля на масштабах в миллионы световых лет — крайне сложная задача. Стандартный инструмент для этого — эффект фарадеевского вращения: при прохождении через намагниченную плазму плоскость поляризации радиоволны поворачивается на угол, пропорциональный квадрату длины волны, силе поля вдоль луча зрения и плотности электронов в среде.

Проблема в том, что на низких частотах, на которых работает LOFAR (120–168 МГц, то есть волны длиной около двух метров), это вращение становится настолько сильным, что поляризованный сигнал попросту «размазывается» и теряется — так называемая деполяризация. Из-за этого классическая поляриметрия хорошо работает лишь в отдельных, относительно простых участках скоплений — например, во внешних ударных волнах (радиореликтах), но почти бессильна в турбулентных центральных областях, где расположены радиогало и протяжённые «мосты» диффузного излучения.

Ключевым инструментом новой работы стала технология SIG — синхротронный градиент интенсивности. В основе метода — статистическая теория турбулентности намагниченной плазмы: интенсивность синхротронного излучения в турбулентной среде колеблется анизотропно, структуры оказываются «вытянуты» вдоль направления локального магнитного поля. Если для карты такой интенсивности в каждой точке вычислить градиент — направление наиболее быстрого изменения яркости, — он окажется перпендикулярен этим вытянутым структурам, а значит и самому магнитному полю. Повернув направление градиента на 90 градусов, можно восстановить ориентацию поля в картинной плоскости.

Главное преимущество SIG перед фарадеевской поляриметрией — метод не подвержен деполяризации на низких частотах и вообще не требует детектирования поляризованного сигнала: достаточно точной карты яркости излучения. Это впервые позволило применить его сразу ко всему скоплению целиком — от ядра до формирующихся окраин, а не только к отдельным ярким структурам вроде реликтов.

Саму методику SIG для скоплений галактик разработали и впервые проверили в 2024 году: тогда её протестировали на пяти скоплениях и сопоставили с классическими поляризационными измерениями, полученными на телескопах JVLA и MeerKAT. Результаты совпали — там, где поляриметрия работает, SIG даёт те же ответы, но, в отличие от неё, работает и там, где поляриметрия бессильна.

Чтобы получить нужную чувствительность, Abell 2255 наблюдали суммарно более 330 часов на частотах 120–168 МГц в рамках проекта LOFAR Galaxy Cluster Ultra-Deep Field — продолжения более раннего проекта LOFAR Galaxy Cluster Deep Field 2022 года, когда скопление наблюдали «всего» 72 часа. После строгого отбора данных по качеству для финального анализа взяли лучшие 224 часа наблюдений. Итоговые изображения на центральной частоте 144 МГц достигли чувствительности 24 микроянских на луч при угловом разрешении 7,1 × 4,3 угловой секунды — это самые глубокие радионаблюдения скопления галактик, когда-либо полученные. По своим параметрам они уже сопоставимы с тем, что в будущем должно стать рутиной для строящегося сейчас в Австралии радиотелескопа SKA-Low — низкочастотного компонента SKA (50–350 МГц).

За кадром этих изображений — серьёзный вычислительный труд: проект потребовал около трёх лет работы и обработки почти 200 терабайт необработанных данных на высокопроизводительной вычислительной инфраструктуре INAF в Болонье и Триесте. При начальной скорости передачи одно только скачивание такого объёма данных заняло бы около года.

Итоговая карта охватывает магнитное поле Abell 2255 на пространстве более 13 миллионов световых лет — от ядра скопления до его вириального радиуса (условной границы, за которой гравитация скопления перестаёт удерживать вещество). Главный вывод: крупномасштабное магнитное поле ориентировано не случайным образом.

В областях, где диффузное излучение образует протяжённые «мосты» и расширения радиогало, силовые линии поля вытянуты преимущественно радиально — вдоль направления этих структур. А там, где присутствуют космические ударные волны — в радиореликтах, возникающих при столкновении и слиянии скоплений, — ориентация поля, напротив, тангенциальная, перпендикулярная направлению распространения волны. Эта картина хорошо совпадает с ожиданиями космологических магнитогидродинамических (МГД) симуляций, в которых силовые линии поля «растягиваются» или «сжимаются» газовыми потоками, сопровождающими рост скопления.

Это первое наблюдательное свидетельство того, что топология магнитного поля скопления галактик напрямую формируется той же динамикой — аккрецией газа, слияниями, турбулентностью, — которая отвечает за рост крупнейших структур Вселенной.

Анналиса Бонафеде — профессорка кафедры физики и астрономии Болонского университета и научная сотрудница Института радиоастрономии INAF. Она много лет специализируется на магнитных полях скоплений галактик и была в числе тех, кто в 2024 году впервые применил и проверил сам метод SIG, ставший ключевым инструментом нового исследования: её наблюдательные данные использовались, чтобы доказать, что новая техника даёт результаты, согласующиеся с классической поляриметрией. Ранее Бонафеде руководила проектами по изучению быстрого усиления магнитных полей в далёких, ещё формирующихся скоплениях и получила стартовый грант Европейского исследовательского совета (ERC) на исследование происхождения этих полей.

Розелла Кассано, научная сотрудница Института радиоастрономии INAF в Болонье, — одна из создательниц статистической модели турбулентного переускорения частиц в скоплениях галактик, впервые предложенной в 2005–2006 годах. Эта модель почти два десятилетия остаётся ведущей теоретической рамкой, связывающей столкновения и слияния скоплений с турбулентностью межгалактического газа и появлением радиогало, — именно на такую динамическую картину опирается интерпретация нового результата. Кассано участвует в исследованиях Abell 2255 радиотелескопом LOFAR с самых первых работ 2020 года.

Габриэлла Ди Дженнаро, радиоастрономка, защитившая диссертацию в Лейденской обсерватории и затем работавшая в Гамбургском университете, сейчас — сотрудница Института радиоастрономии INAF в Болонье. Она специализируется на изучении магнитных полей скоплений через анализ поляризации радиореликтов, в том числе в далёких, только формирующихся скоплениях, — то есть на классическом методе, ограничения которого и призвана обойти новая техника SIG.

Камлеш Раджпурохит, получившая докторскую степень в Йенском университете в 2018 году, а ныне работающая в Центре астрофизики Гарварда и Смитсоновского института, — специалистка по многоволновому (радио- и рентгеновскому) анализу скоплений галактик, ускорению частиц ударными волнами и турбулентностью, а также топологии магнитных полей в самых разных условиях межгалактической среды. Раджпурохит напрямую изучала само скопление Abell 2255: она — соавторка недавней работы о радиогалактиках и нитевидных структурах этого скопления, полученных с рекордным угловым разрешением благодаря технике LOFAR-VLBI. Также она известна открытием крупнейшего из известных на сегодня облаков диффузного радиоизлучения — вокруг скопления PLCK G287.0+32.9, которое побило прежний рекорд, ранее принадлежавший как раз Abell 2255.

Работа демонстрирует не только новый физический результат, но и растущую роль вычислительной инфраструктуры в современной астрономии: без современных HPC-мощностей обработать такой объём данных было бы попросту невозможно. В ближайшие годы аналогичный анализ планируется распространить на другие скопления галактик — по мере того как в строй будут входить радиотелескоп следующего поколения LOFAR 2.0 и низкочастотный компонент обсерватории SKA, который сейчас строится в Австралии. Это должно позволить восстанавливать топологию магнитных полей с детализацией, пока недостижимой ни для одного другого скопления галактик.

Источники

Официальный пресс-релиз INAF — media.inaf.it/2026/07/17/abell-2255-lofar

Препринт статьи на arXiv (официальный репозиторий научных препринтов) — arxiv.org/abs/2607.14209

Официальная страница профессорки Анналисы Бонафеде на сайте Болонского университета — unibo.it/sitoweb/annalisa.bonafede

Официальная страница Камлеш Раджпурохит на сайте Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института — cfa.harvard.edu/people/kamlesh-rajpurohit

Официальный сайт Института радиоастрономии INAF в Болонье — info.ira.inaf.it/en

Официальный сайт консорциума LOFAR ERIC — lofar.eu