Как астрономы ищут очень далекие и молодые галактические скопления
Данные телескопа «Планк», уже два года как переставшего работать, продолжают приносить новые научные результаты. На этот раз астрономы использовали составленную телескопом карту микроволнового излучения не для поиска гравитационных волн или аргументов к теории инфляции. Она оказалась полезна для относительно «приземленной» цели — поиска скоплений молодых галактик на высоких красных смещениях. Несмотря на кажущуюся скромность такой задачи, на самом деле она имеет большое значение для понимания структуры Вселенной.
Исследование процессов формирования и эволюции галактик, образующих крупномасштабную структуру Вселенной требует внимательного изучения галактик на больших красных смещениях (z~2-3). Время, которое соответствует этому смещению, — это эпоха, когда звезды во Вселенной образовывались с рекордно высокой скоростью, когда формировалось большинство галактик и их скоплений, и когда роль черных дыр из центров галактик в звездообразовании была особенно велика. Это взаимодействие между черными дырами и остальной частью молодых галактик сильно повлияло на распределение газа, пыли и темной материи в современной Вселенной. А значит наблюдение за этими молодыми галактиками исключительно важны для более полного понимания картины Вселенной.
Таких объектов должно быть не очень много и их обнаружение является непростой задачей. Лучше всего для нее подходят телескопы, работающие в области микроволнового и дальнего инфракрасного (ИК) излучения. Причем желательно, чтобы за время своей работы они смогли получить полные карты неба. То есть такие, как, например, космическая обсерватория «Планк» Европейского космического агентства.
В миссию «Планка» поиск таких галактик, конечно, не входил. Основными задачами миссии было составление уточненной карты реликтового излучения (и его искажения гравитационным линзированием), изучение скоплений галактик с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича (температура реликтового излучения изменяется, когда оно проходит сквозь скопления галактик из-за взаимодействия со свободными электронами), наблюдение отдельных активных ядер галактик, а также сверхмощных инфракрасных галактик, ULIRG'гов — про которые мы недавно писали.
«Планк» до завершения своей миссии в октябре 2013 года составил карту всего неба в микроволновом и дальнем ИК-диапазонах: два научных инструмента на его борту (низкочастотный LFI и высокочастотный HFI) получали изображения и измеряли поляризацию на девяти различных частотах в диапазоне от 30 до 857 гигагерц. Объем полученной информации оказался так велик, что хотя первая общедоступная карта и сопутствующие материалы были опубликованы в марте 2013 года, их обработка продолжалась еще два года после окончания работы телескопа. Лишь в феврале 2015 вышел полный релиз (вполне возможно, еще не окончательный), в котором была представлена уточненная и обработанная карта. Ее дополнял и целый ряд статей, в которых использовались данные «Планка»: подтверждение доли темной материи во Вселенной (26 процентов), подтверждение текущей модели Вселенной (также известной как лямбда-CDM), наличие только трех типов нейтрино (закрытие дискуссии о существовании стерильного нейтрино) и так далее.
Сегодняшняя статья рассказывает о попытках приспособить карты «Планка» для поиска скоплений галактик на больших красных смещениях. Для этого был составлен каталог потенциально интересных объектов. Первым (пробным, но, будем надеяться, далеко не последним) объектом стала структура, названная PHz G95.5-61.6. Она удалена от нас на расстояние примерно в 10,5 миллиардов световых лет.
Давайте разбираться, почему это на самом деле так интересно. Для этого нужно помнить про два очень важных фактора наблюдательной астрофизики. Во-первых, это существование красного смещения для внегалактических источников: чем дальше от нас объект, тем в более сильнее растягиваются длины волн его излучения. Если на самом деле он синий, то мы будем видеть его желтым, если он еще дальше — то красным, а если он совсем далеко — он станет инфракрасным. Во-вторых, это ограничения на угловое разрешение телескопов, которое определяется эмпирической формулой Рэлея δ = λ/D, то есть чем больше длина волны λ, тем дальше друг от друга должны быть объекты, чтобы они не сливались в один при наблюдении на телескопе с диаметром зеркала D. Кроме того, важную роль играют технологические ограничения. Исторически сложилось, что человечество достигло наибольшего прогресса в производстве CCD-матриц, которые работают в оптическом диапазоне, в то время как ИК- или микроволновые детекторы существенно менее чувствительны.
Соединяя эти факты вместе, мы приходим к выводу, что, по сравнению с оптическими телескопами для данной конкретной задачи «Планк» не так уж плох: максимум излучения у искомых галактик смещен в ИК область, и каждое яркое пятнышко там — это потенциальная галактика, а то и скопление. В то время как на оптических снимках объектов так много, что задача поиска там галактик с нужными характеристиками (а они к тому же будут очень тусклыми) похожа на поиски иголки в стоге сена.
Авторы статьи начали с составления каталога потенциально интересных источников, которые на картах «Планка» были видны как «уплотнения» ИК-излучения. Таких объектов было найдено 1300 штук. Часть из них, вероятно — это флуктуации космического микроволнового фона, близкие сверхъяркие ИК-галактики или отдельные далекие галактики, чья яркость была увеличена за счет гравитационного линзирования. Все эти объекты по-своему интересны, но не они являются целью данной работы, поэтому в результате отбора число источников было сильно сокращено и из них был выбран только один кандидат, объект PHz G95.5-61.6.
Надо сказать, что основная задача авторов заключалась вовсе не в том, чтобы узнать его физические характеристики или дополнить картину эволюции галактик во Вселенной (по одному скоплению это и невозможно сделать). Важнее здесь было скорее проверить: будет ли работать сам метод поиска молодых галактик, стоит ли тратить время и деньги на использование этих снимков (по современным мерам уже достаточно посредственного качества) для будущего поиска сотен и тысяч подобных скоплений. И только такой будущий поиск уже потенциально может дать достойный вклад в эволюционную модель галактик.
Чтобы понять природу этого объекта, PHz G95.5-61.6, астрофизики получили новые снимки того же участка неба с помощью работающего преимущественно в дальнем ИК диапазоне космического телескопа «Гершель». И на них уже были различимы пять отдельных источников (на картинке ниже они обозначены буквами A, B, C, D, E). После этого были проведены пятичасовые наблюдения на космическом телескопе «Спитцер», который работает в среднем и ближнем ИК диапазоне. Затем в дело вступил телескоп CFHT. Девять часов наблюдений в оптическом и ближнем ИК-диапазоне позволили получить снимки с угловым разрешением примерно в 300 раз лучше, чем у «Планка». На снимках «Спитцера» и, особенно, снимках CHFT, отчетливо видно, что каждый источник, обнаруженный телескопом «Гершель» тоже на самом деле состоит из нескольких галактик.
Эти данные уже смогли немного рассказать о свойствах объектов — мы видим молодые галактики с большим количеством пыли, которые, предположительно, сформировали небольшое скопление. По подсчетам ученых, в галактиках ежегодно образуется несколько сотен новых звезд. Это достаточно большая величина, и есть предположения, что часть источников на снимках — это не одна, а несколько галактик, близко расположенных друг к другу (то есть неразрешимых телескопом). В таком случае 600-700 новых звезд в год должны быть распределены между ними, приводя числа к вполне стандартным нормам.
Теперь осталось уточнить расстояния до галактик (и между ними тоже). Для этого задействовали спектрометр VLT/X-Shooter, установленный на телескопе VLT. Он, используя смещение спектральных линий водорода, определил точные расстояния до найденных галактик. На таком удалении даже после экспозиции в 14 часов галактики оказываются очень тусклыми, так что никакой другой информации кроме удаления их спектральный анализ не дал. Хотя обычно по таким данным можно судить о химическом составе галактик и даже об их морфологии.
Зная расстояния до галактик, астрономы пришли к выводу, что все объекты, входящие в структуру PHz G95.5-61.6, объединяются в два протоскопления, диаметром примерно 1 мегапарсек каждое: три галактики на красном смещении z~1.7 и шесть галактик на красном смещении z~2.0. Эти скопления, находясь для нас на одном луче зрения, гравитационно не связаны друг с другом и являются узлами в крупномасштабной структуре Вселенной.
Однако, надо заметить, что наша атмосфера плохо пропускает инфракрасное излучение: есть особые «окна» — диапазон длин волн — в которых она становится совершенно непрозрачна. И именно эта длина волны приходится на максимум излучения у галактик, находящихся на красных смещениях между 1.7 > z > 2.0. То есть, возможно, там находятся даже не два отдельных скопления, а больше, и они образуют более сложную и протяженную структуру.
Что же в итоге дает нам обнаружение этих двух (если их не больше) скоплений? Не так мало, как кажется. Прежде всего, они послужили доказательством того, что телескоп «Планк» способен обнаруживать отдельные протоскопления галактик на расстояниях в более чем 10 миллиардов световых лет от нас. Во-вторых, общий алгоритм обработки данных, выработанный при подготовке этой статьи, оказался подходящим для проведения более масштабных поисков подобных скоплений. Можно не сомневаться, что в будущем следует ожидать появления достаточной статистической выборки подобных структур, которые наверняка продвинут человечество в понимании эволюции Вселенной. Исходные данные для такого поиска «Планк» уже собрал.
Марат Мусин