"Подвійна" галактика спантеличила астрономів Хаббла

Астрономи бачили доволі дивні речі, розкидані по нашому величезному Всесвіту, від зірок, що вибухають, до зіткнення галактик. Отже, можна подумати, що коли вони побачать дивний небесний об’єкт, то зможуть його ідентифікувати.

Але космічний телескоп "Хаббл" виявив пару ідентичних об′єктів, які виглядають настільки дивно, що астрономам знадобилося кілька років, щоб визначити, що це таке, розповідають в НАСА.

"Ми були дійсно приголомшені", - сказав астроном Тімоті Гамільтон з Державного університету Шоуні в Портсмуті, штат Огайо.

Дивні об’єкти складаються з пари галактичних опуклостей (центральна частина галактики, заповнена зірками) та принаймні трьох майже паралельних розділених смуг. Гамільтон помітив їх випадково, використовуючи Хаббл для огляду колекції квазарів – активних галактичних ядер, що палають.

Після перебирання тупикових теорій, звертань по допомогу до колег та довгих роздумів, Гамільтон та команда, що зростала, на чолі з Річардом Гріффітсом з Гавайського університету в Хіло зрештою зібрали всі підказки для розгадки таємниці.

Лінійними об’єктами були розтягнуті зображення гравітаційно лінзованої далекої галактики, розташованої на відстані понад 11 мільярдів світлових років. І вони виявилися дзеркальним відображенням один одного.

Команда визначила, що величезна гравітація не каталогізованого галактичного скупчення на передньому плані деформує простір, збільшуючи, освітлюючи та розтягуючи зображення далекої галактики за ним – явище, яке називається гравітаційним лінзуванням. Попри те, що опитування Хаббла виявляють багато таких спотворень, спричинених гравітаційним лінзуванням, цей об’єкт викликав унікальне збентеження.

У цьому випадку точне вирівнювання між фоновою галактикою та галактичним скупченням на передньому плані створює подвійні збільшені копії одного й того ж зображення віддаленої галактики. Це рідкісне явище виникає через те, що фонова галактика розгинається брижами у тканині простору. Ці "брижі" – область найбільшого збільшення, спричиненої гравітацією щільної кількості темної матерії – невидимого клею, який становить більшу частину маси Всесвіту. Коли світло з далекої галактики проходить крізь скупчення вздовж цих брижів, створюються два дзеркальні зображення разом із третім зображенням, яке можна бачити збоку.

Гріффітс порівнює цей ефект із яскравими хвилястими візерунками на дні басейну для плавання. "Уявіть собі вкриту брижами поверхню басейну у сонячний день, які показуються візерунками яскравого світла на дні басейну", - пояснює він. "Ці яскраві візерунки на дні викликані ефектом, що аналогічний гравітаційному лінзуванню. Брижі на поверхні діють як часткові лінзи та фокусують сонячне світло у яскраві звивисті візерунки на дні".

Для гравітаційно лінзованої далекої галактики брижі значно збільшують та спотворюють світло від фонової галактики, яка проходить через скупчення. Брижі діють як недосконале криве дзеркало, яке генерує подвійні копії.

Розгадка таємниці

Але це рідкісне явище не було добре відоме, коли Гамільтон помітив дивні лінійні особливості у 2013 році.

Коли він переглядав зображення квазарів, на знімку виділялися дзеркальні зображення та паралельні смуги. Гамільтон ніколи раніше не бачив нічого подібного, як і інші члени команди.

Тож Гамільтон та його команда розпочали пошуки розгадки таємниці цих дражливих прямих ліній, які згодом отримали назву об’єкта Гамільтона. Вони показали дивне зображення колегам на астрономічних конференціях, які викликали різноманітні спроби пояснення – від космічних струн до планетарних туманностей.

Але потім Гріффітс, який не був членом первинної команди, запропонував найбільш правдоподібне пояснення, коли Гамільтон показав йому це зображення на зустрічі НАСА у 2015 році. Це було збільшене та спотворене зображення, спричинене явищем лінзування, подібним до тих, що спостерігаються на зображеннях Хаббла інших масивних скупчень галактик, які підсилюють зображення дуже далеких галактик. Гріффітс підтвердив цю ідею, коли дізнався про подібний лінійний об’єкт в одному з глибококластерних опитувань Хаббла.

Однак у дослідників все ще була проблема. Вони не змогли ідентифікувати скупчення, що лінзує. Як правило, астрономи, які вивчають скупчення галактик, спочатку бачать скупчення переднього плану, що викликає лінзування, а потім знаходять збільшені зображення далеких галактик усередині скупчення. Пошук у зображеннях Слоанівського цифрового огляду неба показав, що галактичне скупчення знаходиться у тій же зоні, що й збільшені зображення, але воно не фігурує у жодному з каталогів. Одначе, той факт, що дивні зображення знаходилися в центрі кластера, дав зрозуміти Гріффітсу, що кластер створює лінзовані зображення.

Наступним кроком дослідників було визначення того, чи знаходяться три лінзовані зображення на однаковій відстані, а отже, чи це всі вони є спотвореними портрети однієї далекої галактики. Спектроскопічні вимірювання за допомогою обсерваторій Джеміні та Кека на Гаваях допомогли дослідникам підтвердити це, показавши, що лінзовані зображення належать галактиці, розташованої на відстані понад 11 мільярдів світлових років від нас.

Віддалена галактика, ґрунтуючись на реконструкції третього лінзованого зображення, вбачається повернутою стороною, спірального типу з перемичкою, з бурхливим зореутворенням, що триває.

Приблизно одночасно з проведенням Гріффітсом та студентами Хіло спектроскопічних спостережень, окрема група дослідників з Чикаго ідентифікувала скупчення та виміряла його відстань за даними Слоана. Скупчення знаходиться на відстані понад 7 мільярдів світлових років від нас.

Але, маючи дуже мало інформації про кластер, команда Гріффітса все ще намагалася зрозуміти, як інтерпретувати ці незвичайні форми лінз. "Ця гравітаційна лінза сильно відрізняється від більшості лінз, які раніше вивчалися Хабблом, особливо в огляді скупчень Прикордонних полів Хаббла", - пояснив Гріффітс. "Не потрібно довго вдивлятися у ці скупчення, щоб знайти багато лінз. У цьому об′єкті це єдина лінза, яка є. І ми навіть спочатку не знали про це скупчення".

Картування невидимого

Саме тоді Гріффітс подзвонив експерту з теорії гравітаційного лінзування, Дженні Вагнер з Гейдельберзького університету у Німеччині. Вагнер вивчала подібні об’єкти та разом з колегою Ніколасом Тессором, нині з Манчестерського університету в Англії, розробили комп’ютерне програмне забезпечення для інтерпретації таких унікальних лінз. Їхнє програмне забезпечення допомогло команді з′ясувати, як виникли всі три лінзовані зображення. Вони дійшли висновку, що темна матерія навколо розтягнутих зображень повинна бути "плавно" розподілена в просторі у невеликих масштабах.

"Чудово, що нам потрібні лише два дзеркальні зображення, щоб отримати масштаб того, наскільки грудкуватою чи ні може бути темна матерія у цих місцях", - сказала Вагнер. "Тут ми не використовуємо жодних моделей лінз. Ми просто беремо спостережувані кілька зображень та той факт, що вони можуть бути перетворені одне в одне. Вони можуть бути складені одне в одне за нашим методом. Це вже дає нам уявлення про те, наскільки гладкою має бути темна матерія в цих двох місцях".

Цей результат важливий, сказав Гріффітс, тому що астрономи досі не знають, що таке темна матерія, майже через століття після її відкриття. "Ми знаємо, що це якась форма матерії, але ми поняття не маємо, яка складова частинка. Тому ми не знаємо, як вона поводиться взагалі. Ми просто знаємо, що вона має масу та піддається гравітації. Значення обмежень розмірів грудок або гладкість дають нам деякі підказки щодо того, якою може бути ця частинка. Чим менше грудки темної матерії, тим масивніші повинні бути частинки".

Стаття з результатами команди опублікована у вересневому номері "Щомісячних повідомлень Королівського астрономічного товариства".

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