Голка в копиці сіна: планетарні туманності у віддалених галактиках

Використовуючи дані приладу MUSE, дослідникам вдалося виявити надзвичайно тьмяні планетарні туманності у далеких галактиках. Використаний метод -- алгоритм фільтрації при обробці даних зображень -- відкриває нові можливості для вимірювання космічної відстані, а отже, і для визначення константи Хаббла.

Про це розповідають у Потсдамському астрофізичному інституті Лейбніца (AIP).

В околицях Сонця планетарні туманності відомі як барвисті об’єкти, що з’являються наприкінці життя зірки, коли вона переходить від стадії червоного гіганта до стадії білого карлика: коли зоря вичерпала своє паливо для ядерного синтезу, вона здуває свою газову оболонку в міжзоряний простір, стискається, стає надзвичайно гарячою та викликає світіння розширюваної газової оболонки. На відміну від безперервного спектра зорі, іони деяких елементів у цій газовій оболонці, таких як водень, кисень, гелій та неон, випромінюють світло лише на певних довжинах хвиль. Спеціальні оптичні фільтри, налаштовані на ці довжини хвиль, можуть зробити тьмяні туманності видимими. Найближчим об’єктом такого роду у нашому Чумацькому Шляху є туманність Спіраль, розташована за 650 світлових років.

Планетарна туманність NGC 7294 (“туманність Спіраль”), об’єкт в околицях Сонця. © NASA, NOAO, ESA, the Hubble Helix Nebula Team, M. Meixner (STScI), and T.A. Rector (NRAO)

У міру збільшенням відстані до планетарної туманності видимий діаметр на зображенні зменшується, а інтегрована видима яскравість зменшується з квадратом відстані. У сусідній з нами галактиці, галактиці Андромеда, на відстані майже у 4000 разів більшій, туманність Спіраль була б помітною лише як точка, а її видима яскравість була б майже у 15 мільйонів разів слабшою. Завдяки сучасним великим телескопам та тривалому часу експозиції такі об’єкти, однак, можуть бути зображені та виміряні за допомогою оптичних фільтрів або спектроскопії зображення. Мартін Рот, перший автор нового дослідження та керівник відділу innoFSPEC в AIP каже: "За допомогою інструменту PMAS, розробленого в AIP, нам вдалося зробити це вперше за допомогою інтегрально-польової спектроскопії для декількох планетарних туманностей в галактиці Андромеда у 2001-2002 роках на 3,5-метровому телескопі обсерваторії Калар-Альто. Однак порівняно невелике поле зору PMAS ще не дозволило дослідити більшу вибірку об′єктів".

Для подальшого розвитку цих перших експериментів з використанням потужнішого приладу з більш ніж у 50 разів більшим полем зору на значно більшому телескопі знадобилося добрих 20 років. Прилад MUSE на "Дуже великому телескопі" в Чилі був розроблений в першу чергу для відкриття надзвичайно тьмяних об′єктів на краю спостережуваного нами на даний час Всесвіту, – і з перших же спостережень надав разючі результати у цьому напрямку. Саме ця властивість також проявляється при виявленні надзвичайно тьмяних планетарних туманностей у далекій галактиці.

Галактика NGC 474 є особливо прекрасним прикладом галактики, яка внаслідок зіткнення з іншими, меншими галактиками утворила показну кільцеподібну структуру із зірок, розсіяних гравітаційними ефектами. Вона знаходиться на відстані приблизно 110 мільйонів світлових років, що приблизно у 170 000 разів більше, ніж туманність Спіраль. Отже, видима яскравість планетарної туманності в цій галактиці майже у 30 мільярдів разів нижча, ніж у туманності Спіраль, і знаходиться у діапазоні космологічно цікавих галактик, для яких команда розробила прилад MUSE.

Група дослідників з AIP разом з колегами із США розробила метод використання MUSE для виділення та точного вимірювання надзвичайно слабких сигналів від планетарних туманностей у віддалених галактиках з високою чутливістю. Тут важливу роль відіграє особливо ефективний алгоритм фільтрації при обробці даних зображень. Для кільцеподібної галактики NGC 474 були доступні архівні дані ESO, основані на двох дуже глибоких експозиціях MUSE з 5-годинним часом спостереження. Результат обробки даних: після застосування алгоритму фільтрації стали видимими загалом 15 надзвичайно тьмяних планетарних туманностей.

Дані зображення MUSE у двох позначених полях із зображення (на початку статті) кільцеподібної структури NGC 474. Зліва: Зображення у континуумі із смугою зірок, щодо яких немає рішення, а також кулястими скупченнями, позначеними колами. Праворуч: відфільтроване зображення в червоно-зміщеній лінії емісії кисню, з якої планетарні туманності з′являються як точкові джерела шуму. Артефакти, створені інструментальними ефектами, повністю зникли. © AIP/M. Roth

Ця високочутлива процедура відкриває новий метод вимірювання відстані, який підходить для вирішення обговорюваної на даний час розбіжності у визначенні константи Хаббла. Планетарні туманності мають таку властивість, що фізично неможливо перевищити певну максимальну світність. Функція розподілу світностей вибірки у галактиці, тобто функція світності планетарних туманностей (PNLF), обривається на яскравому кінці. Це властивість стандартної свічки, яку можна використовувати для обчислення відстані статистичними методами. Метод PNLF був розроблений ще у 1989 році членами команди Джорджем Джейкобі (NOIRLab NSF) та Робіном Сіардулло (Університет штату Пенсільванія). Протягом останніх 30 років він був успішно застосований до понад 50 галактик, але його можливості були обмежені використовуваними дотепер фільтрами при вимірюваннях. Галактики з відстанями, що перевищують відстань до скупчень Діви або Печі, виявилися за межами діапазону. Дослідження, опубліковане 22 липня в Astrophysical Journal (препринт), показує, що MUSE може досягти більш ніж подвоєного діапазону, що дозволяє провести незалежне вимірювання константи Хаббла.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.