Астрономы используют гигантский кластер галактик как рентгеновскую увеличительную линзу

Исследователи впервые применили массивное галактическое скопление в качестве огромной увеличительной линзы для выявления маленькой карликовой звездообразующей галактики.

Астрономы использовали массивное скопление галактик как рентгеновское увеличительное стекло, чтобы заглянуть в прошлое почти на 9,4 миллиарда лет. В процессе этого они заметили крохотную карликовую галактику на ее первых, высокоэнергетических стадиях звездообразования, рассказывают в Массачусетском технологическом институте.

В то время как галактические скопления использовались для увеличения объектов на оптических длинах волн, ученые впервые использовали этих массивных гравитационных гигантов для зуммирования экстремальных, удаленных рентгеновских явлений.

То, что они обнаружили, представляет собой синее пятнышко галактики-младенца, размером примерно в 1/10 000 нашего Млечного Пути, посередине процесса вспенивания своих первых звезд - сверхмассивных, космически недолговечных объектов, излучающих высокоэнергетические рентгеновские лучи, которых исследователи обнаружили в виде ярко-синей дуги.

"Эта маленькое синее пятно означает, что это очень маленькая галактика, которая содержит множество чрезвычайно горячих, очень массивных молодых звезд, образовавшихся недавно, - говорит Мэттью Бэйлисс, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли при Массачусетском технологическом институте. - Эта галактика похожа на первые галактики, образовавшиеся во Вселенной... такого вида, которого никто раньше не видел в рентгене в отдаленном Вселенной."

Бэйлисс говорит, что обнаружение этой единой далекой галактики является доказательством того, что ученые могут использовать скопления галактик в качестве естественных рентгеновских луп для выявления экстремальных, высокоэнергетических явлений в ранней истории Вселенной.

"Благодаря этой технике мы могли бы в будущем зумировать отдаленную галактику и определить возраст ее различных частей - скажем, эта часть имеет звезды, образовавшиеся 200 миллионов лет назад, по сравнению с остальной частью, которая сформировалась 50 миллионов лет назад, и разделить их отдельно так как иначе нельзя сделать", - говорит Бэйлисс.

Он и его соавторы, в частности Майкл Макдональд, доцент физики в Массачусетском технологическом институте, опубликовали свои результаты 14 октября в журнале Nature Astronomy.

Свеча в свете

Кластеры галактик - это массивные объекты во Вселенной, состоящие из тысяч галактик, все вместе связанные гравитацией как одной огромной, мощной силой. Галактические скопления настолько массивны, а их гравитационное притяжение настолько сильно, что они могут искажать ткань пространства-времени, выгибая Вселенную и любой окружающий свет, подобно тому, как слон растянул бы и исказил страховочную сетку под трапецией в цирке.

Ученые использовали скопления галактик как космическое увеличительное стекло методикой, известной как гравитационное линзирование. Идея заключается в том, что если ученые имеют приблизительное значение массы галактического скопления, они могут оценить его гравитационное воздействие на любое окружающий свет, а также угол, под которым кластер может отклонять это свет.

Например, представьте себе, что наблюдатель, находясь лицом к галактическому скоплению, пытается обнаружить объект, такой как одна галактика, за этим скоплением. Свет, излучаемый этим объектом, двигался бы прямо к скоплению, а затем сгибался вокруг скопления. Он продолжал бы двигаться к наблюдателю, хотя и под несколько разными углами, появившись перед наблюдателем как отраженные изображения того же объекта, которые в конце концов можно объединить как единое «увеличенное» изображение.

Ученые использовали кластеры галактик для увеличения объектов на оптических длинах волн, но никогда в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра, главным образом потому, что сами галактические скопления излучают огромное количество рентгеновских лучей. Ученые считали, что любое рентгеновское излучение, исходящее от фонового источника, невозможно было бы различить от собственных бликов скопления.

"Если вы пытаетесь увидеть источник рентгеновских лучей за скоплением, это как попытаться увидеть свечу рядом с действительно ярким светом, - говорит Бэйлисс. - Значит, мы знали, что это было непростое измерение".

Вычитание рентгеновских лучей

Исследователи задумывались, могли бы они отнять это яркий свет и увидеть свечку за ним? Иными словами, могли бы они вычесть излучение рентгеновских лучей, поступающих с галактического кластера, чтобы увидеть гораздо более слабые рентгеновские излучения, поступающие от объекта позади и увеличенные кластером?

Команда ученых проверила эту идею с помощью наблюдений, осуществленных рентгеновской обсерваторией Чандра, одним из самых мощных в мире рентгеновских космических телескопов. Они, в частности, посмотрели на измерение Чандрой скопления Феникса - удаленного галактического кластера, расположенного за 5,7 млрд световых лет от Земли, который, по оценкам, примерно в квадратильйон раз массивнее Солнца, с гравитационными эффектами, которые должны сделать его мощной, естественной увеличительной линзой.

"Идея заключается в том, чтобы взять любой ваш лучший рентгеновский телескоп - в данном случае Чандру - и использовать естественную линзу, чтобы увеличить и сделать Чандру более эффективной, чтобы вы могли видеть более отдаленные вещи", - говорит Бэйлисс.

Он и его коллеги проанализировали наблюдения за кластером Феникса, которые Чандра проводила непрерывно в течение более месяца. Они также рассмотрели изображения скопления, сделанные двумя телескопами - оптическим и инфракрасным, космическим телескопом Хаббла и телескопом Магеллана в Чили. С учетом всех этих различных представлений, команда разработала модель для характеризирования оптических эффектов кластера, что позволило исследователям точно измерить излучение рентгеновских лучей с самого кластера и вычесть его из базы данных.

У них остались два похожих образца рентгеновских лучей вокруг кластера, которые они определили «линзированными», или гравитационно согнутыми, кластером. Когда ученые проследили за эмиссиями назад во времени, они обнаружили, что все они происходят из одного далекого источника: крошечной карликовой галактики за 9,4 млрд лет назад, когда самой Вселенной было около 4,4 млрд лет - примерно треть ее нынешнего возраста.

"Раньше Чандра видела только несколько вещей на этом расстоянии, - говорит Бэйлисс. - менее чем за 10 процентов времени мы обнаружили этот объект, так же далеко. И гравитационное линзирование - это то, что позволяет нам это делать."

Комбинация Чандры и природной силы линзирования кластера Феникса позволило команде увидеть крошечную галактику, которая скрывается за кластером, увеличенную примерно в 60 раз. В этом разрешении они смогли увеличить изображение, чтобы заметить две четкие части внутри галактики, одна из которых создает гораздо больше рентгеновских лучей, чем другая.

Поскольку рентгеновские излучения, как правило, производятся при экстремальных, кратковременных явлениях, исследователи считают, что первая, богатая на рентгеновское излучение часть сигнализирует об области карликовой галактики, в которой совсем недавно сформировались сверхмассивные звезды, тогда как тихий регион является старейшим регионом, содержащим больше зрелых звезд.

"Мы ловим эту галактику на очень полезной стадии, где у нее есть эти на самом деле молодые звезды, - говорит Бэйлисс. - Каждая галактика должна была начинаться с такой стадии, но у нас по соседству мы не видим много таких галактик. Теперь мы можем вернуться в времени, заглянуть в далекую Вселенную, найти галактики в этой ранней стадии их жизни и начать изучать, насколько отличны там звездообразования."

Частично это исследование финансировалось НАСА и Научным институтом космического телескопа.

Читайте еще интересные новости о космосе.