Астрономи використовують гігантський кластер галактик як рентгенівську збільшувальну лінзу

Дослідники вперше застосували масивне галактичне скупчення у якості величезної збільшувальної лінзи для виявлення маленької карликової зореутворюючої галактики.

Астрономи використали масивне скупчення галактик як рентгенівське збільшувальне скло, щоб заглянути у минуле майже на 9,4 мільярда років. В процесі цього вони помітили крихітну карликову галактику на її перших, високоенергетичних стадіях зореутворення, розповідають в Массачусетському технологічному інституті.

У той час як галактичні скупчення використовувалися для збільшення об′єктів на оптичних довжинах хвиль, вчені вперше використали цих масивних гравітаційних гігантів для зумування екстремальних, віддалених рентгенівських явищ.

Те, що вони виявили, являє собою синю плямку галактики-немовляти, розміром приблизно в 1/10 000 нашого Чумацького Шляху, посередині процесу вспінення своїх перших зірок - надмасивних, космічно недовговічних об′єктів, що випромінюють високоенергетичні рентгенівські промені, які дослідники виявили у вигляді яскраво-синьої дуги.

"Ця маленька синя пляма означає, що це дуже маленька галактика, котра містить безліч надзвичайно гарячих, дуже масивних молодих зірок, що утворилися нещодавно, - каже Меттью Бейлісс, науковий співробітник Інституту астрофізики та космічних досліджень ім. Кавлі при Массачусетському технологічному інституті. - Ця галактика схожа на найперші галактики, що утворилися у Всесвіті... такого виду, якого ніхто раніше не бачив у рентгені у віддаленому Всесвіті."

Бейлісс каже, що виявлення цієї єдиної далекої галактики є доказом того, що вчені можуть використовувати скупчення галактик в якості природніх рентгенівських луп для виявлення екстремальних, високоенергетичних явищ у ранній історії Всесвіту.

"Завдяки цій техніці ми могли б у майбутньому зумувати віддалену галактику та визначити вік її різних частин - скажімо, ця частина має зірки, що утворилися 200 мільйонів років тому, порівняно з іншою частиною, яка сформувалася 50 мільйонів років тому, і розділити їх окремо так, як інакше не можна зробити", - каже Бейлісс.

Він та його співавтори, зокрема Майкл Макдональд, доцент фізики в Массачусетському технологічному інституті, опублікували свої результати 14 жовтня в журналі Nature Astronomy.

Свічка у світлі

Кластери галактик - це наймасивніші об’єкти у Всесвіті, складені з тисяч галактик, усі разом пов′язані гравітацією як однією величезною, потужною силою. Галактичні скупчення настільки масивні, а їх гравітаційне тяжіння настільки сильне, що вони можуть спотворювати тканину простору-часу, вигинаючи Всесвіт і будь-яке навколишнє світло, подібно до того, ніби слон розтягнув би і викривив страхувальну сітку під трапецією в цирку.

Вчені використовували скупчення галактик як космічне збільшувальне скло методикою, відомою як гравітаційне лінзування. Ідея полягає в тому, що якщо вчені мають приблизне значення маси галактичного скупчення, вони можуть оцінити його гравітаційний вплив на будь-яке навколишнє світло, а також кут, під яким кластер може відхилити це світло.

Наприклад, уявіть собі, що спостерігач, знаходячись обличчам до галактичного скупчення, намагається виявити об’єкт, такий як одна галактика, за цим скупченням. Світло, що випромінюється цим об′єктом, рухалося би прямо до скупчення, а потім згиналося навколо скупчення. Воно продовжувало б рухатися до спостерігача, хоча і під дещо різними кутами, з′явившись перед спостерігачем як віддзеркалені зображення того самого об′єкта, які врешті-решт можна об′єднати як єдине «збільшене» зображення.

Вчені використовували кластери галактик для збільшення об′єктів на оптичних довжинах хвиль, але ніколи в рентгенівському діапазоні електромагнітного спектра, головним чином тому, що самі галактичні скупчення випромінюють величезну кількість рентгенівських променів. Вчені вважали, що будь-яке рентгенівське випромінювання, що надходить від фонового джерела, неможливо було б розрізнити від власних відблисків скупчення.

"Якщо ви намагаєтеся побачити джерело рентгенівських променів за скупченням, це ніби спробувати побачити свічку поруч із дійсно яскравим світлом, - говорить Бейлісс. - Отже, ми знали, що це було непросте вимірювання."

Віднімання рентгенівських променів

Дослідники замислювалися: чи могли б вони відняти це яскраве світло і побачити свічку за ним? Іншими словами, чи могли б вони видалити випромінювання рентгенівських променів, що надходять з галактичного кластеру, щоб побачити набагато слабші рентгенівські випромінювання, що надходять від об′єкта позаду і збільшених кластером?

Команда вчених перевірила цю ідею за допомогою спостережень, здійснених рентгенівською обсерваторією Чандра, одним із найпотужніших у світі рентгенівських космічних телескопів. Вони, зокрема, подивилися на вимірювання Чандрою скупчення Фенікса - віддаленого галактичного кластера, розташованого за 5,7 мільярдів світлових років від Землі, який, за оцінками, приблизно в квадратильйон разів масивніший за Сонце, з гравітаційними ефектами, які повинні зробити його потужною, природною збільшувальною лінзою.

"Ідея полягає в тому, щоб взяти будь-який ваш найкращий рентгенівський телескоп - в даному випадку Чандру - і використовувати природну лінзу, щоб збільшити і зробити Чандру більш ефективною, щоб ви могли бачити більш віддалені речі", - говорить Бейлісс.

Він та його колеги проаналізували спостереження за кластером Фенікса, які Чандрою проводилися безперервно впродовж більше місяця. Вони також розглянули зображення скупчення, зроблені двома телескопами - оптичним та інфрачервоним, космічним телескопом Хаббла та телескопом Магеллана в Чилі. З урахуванням всіх цих різних представлень, команда розробила модель для характеризування оптичних ефектів кластера, що дозволило дослідникам точно виміряти випромінювання рентгенівських променів із самого кластеру та відняти його з даних.

У них залишилися два схожі зразки рентгенівських променів навколо кластера, які вони визначили «лінзованими», або гравітаційно зігнутими, кластером. Коли вчені простежили за емісіями назад у часі, вони виявили, що всі вони походять з одного, далекого джерела: крихітної карликової галактики за 9,4 мільярдів років тому, коли самому Всесвіту було близько 4,4 мільярдів років - приблизно третину його теперішнього віку.

"Раніше Чандра бачила лише кілька речей на цій відстані, - каже Бейлісс. - Менш ніж за 10 відсотків часу ми виявили цей об’єкт, так само далеко. І гравітаційне лінзування - це те, що дозволяє нам це робити."

Комбінація Чандри та природної сили линзування кластера Фенікса дозволило команді побачити крихітну галактику, що ховається за кластером, збільшену приблизно у 60 разів. У цій роздільній здатності вони змогли збільшити зображення, щоб помітити дві чіткі частини всередині галактики, одна з яких створює набагато більше рентгенівських променів, ніж інша.

Оскільки рентгенівські випромінювання, як правило, виробляються під час екстремальних, короткочасних явищ, дослідники вважають, що перша, багата на рентгенівське випромінювання частина сигналізує про область карликової галактики, в якій зовсім недавно сформувалися надмасивні зірки, тоді як тихіший регіон є старішим регіоном, що містить більше зрілих зірок.

"Ми ловимо цю галактику на дуже корисній стадії, де у неї є оці насправді молоді зірки, - каже Бейлісс. - Кожна галактика повинна була починатися з такої стадії, але у нас по сусідству ми не бачимо багато таких галактик. Тепер ми можемо повернутися у часі, зазирнути у далекий Всесвіт, знайти галактики в цій ранній стадії їхнього життя і почати вивчати, наскільки відмінне там зореутворення."

Частково це дослідження фінансувалося НАСА та Науковим інститутом космічного телескопа.

Читайте ще цікаві новини про космос.