Иголка в стоге сена: планетарные туманности в отдаленных галактиках

Используя данные прибора MUSE, исследователям удалось обнаружить чрезвычайно тусклые планетарные туманности в дальних галактиках. Использованный метод - метод фильтрации при обработке данных изображений - открывает новые возможности для измерения космического расстояния, а значит, и для определения константы Хаббла.

Об этом рассказывают в Потсдамском астрофизическом институте Лейбница (AIP).

В окрестностях Солнца планетарные туманности известны как красочные объекты, появляющиеся в конце жизни звезды, когда она переходит от стадии красного гиганта к стадии белого карлика: когда звезда исчерпала свое топливо для ядерного синтеза, она сдувает свою газовую оболочку в межзвездное пространство, сжимается, становится чрезвычайно горячей и вызывает свечение расширяемой газовой оболочки. В отличие от непрерывного спектра звезды, ионы некоторых элементов в этой газовой оболочке, таких как водород, кислород, гелий и неон, излучают свет только на определенных длинах волн. Специальные оптические фильтры, настроенные на эти длины волн, могут сделать тусклые туманности видимыми. Ближайшим объектом такого рода в нашем Млечном Пути является туманность Спираль, расположенная на расстоянии 650 световых лет.

Планетарная туманность NGC 7294 ( "туманность Спираль"), объект в окрестностях Солнца. © NASA, NOAO, ESA, the Hubble Helix Nebula Team, M. Meixner (STScI), and T.A. Rector (NRAO)

По мере увеличения расстояния до планетарной туманности видимый диаметр на изображении уменьшается, а интегрированная видимая яркость уменьшается с квадратом расстояния. В соседней с нами галактике, галактике Андромеда, на расстоянии почти в 4000 раз большей, туманность Спираль была бы заметной лишь как точка, а ее видимая яркость была бы почти в 15 миллионов раз слабее. Благодаря современным большим телескопам и длительному времени экспозиции такие объекты, тем не менее, могут быть изображены и измерены с помощью оптических фильтров или спектроскопии изображения. Мартин Рот, первый автор нового исследования и руководитель отдела innoFSPEC в AIP говорит: "С помощью инструмента PMAS, разработанного в AIP, нам удалось сделать это впервые с помощью интегрально-полевой спектроскопии для нескольких планетарных туманностей в галактике Андромеда в 2001-2002 годах на 3,5-метровом телескопе обсерватории Калар-Альто. Однако сравнительно небольшое поле зрения PMAS еще не позволило исследовать большую выборку объектов".

Для дальнейшего развития этих первых экспериментов с использованием более мощного прибора с более чем в 50 раз большим полем зрения на значительно большем телескопе понадобилось добрых 20 лет. Прибор MUSE на "Очень большом телескопе" в Чили был разработан в первую очередь для открытия чрезвычайно тусклых объектов на краю наблюдаемой нами в настоящее время Вселенной, - и с первых же наблюдений предоставил впечатляющие результаты в этом направлении. Именно это свойство также проявляется при выявлении чрезвычайно тусклых планетарных тумманостей в далекой галактике.

Галактика NGC 474 является особенно прекрасным примером галактики, которая в результате столкновения с другими, меньшими галактиками, образовала показную кольцеобразную структуру из звезд, рассеянных гравитационными эффектами. Она находится на расстоянии примерно 110 миллионов световых лет, что примерно в 170 000 раз больше, чем туманность Спираль. Итак, видимая яркость планетарной туманности в этой галактике почти в 30 миллиардов раз ниже, чем в туманности Спираль, и находится в диапазоне космологически интересных галактик, для которых команда разработала прибор MUSE.

Группа исследователей из AIP вместе с коллегами из США разработала метод использования MUSE для выделения и точного измерения чрезвычайно слабых сигналов от планетарных туманностей в отдаленных галактиках с высокой чувствительностью. Здесь важную роль играет особенно эффективный алгоритм фильтрации при обработке данных изображений. Для кольцеобразной галактики NGC 474 были доступны архивные данные ESO, основанные на двух очень глубоких экспозициях MUSE с 5-часовым временем наблюдения. Результат обработки данных: после применения алгоритма фильтрации стали видимыми всего 15 чрезвычайно тусклых планетарных туманностей.

Данные изображения MUSE в двух обозначенных полях с изображения (в начале статьи) кольцеобразной структуры NGC 474. Слева: Изображение в континууме с полосой звезд, по которым нет решения, а также шаровидными скоплениями, обведенными кругами. Справа: отфильтрованное изображение в красно-смещенной линии эмиссии кислорода, в котором планетарные туманности появляются как точечные источники шума. Артефакты, созданные инструментальными эффектами, полностью исчезли. © AIP/M. Roth

Эта высокочувствительная процедура открывает новый метод измерения расстояния, который подходит для решения обсуждаемого в настоящее время различия в определении константы Хаббла. Планетарные туманности имеют такое свойство, что физически невозможно превысить определенную максимальную светимость. Функция распределения светимостей выборки в галактике, то есть функция светимости планетарных туманностей (PNLF), обрывается на ярком конце. Это свойство стандартной свечи, которую можно использовать для вычисления расстояния статистическими методами. Метод PNLF был разработан еще в 1989 году членами команды Джорджем Джейкоби (NOIRLab NSF) и Робином Сиардулло (Университет штата Пенсильвания). В течение последних 30 лет он был успешно применен к более 50 галактикам, но его возможности были ограничены используемыми до сих пор фильтрами при измерениях. Галактики с расстояниями, превышающими расстояние до скоплений Девы или Печи, оказались за пределами диапазона. Исследование, опубликованное 22 июля в Astrophysical Journal (препринт), показывает, что MUSE может достичь более чем удвоенного диапазона, что позволяет провести независимое измерение константы Хаббла.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.