Используя данные инструмента MUSE, исследователям из Потсдамского астрофизического института имени Лейбница (AIP) удалось обнаружить едва заметные планетарные туманности в далеких галактиках. Используемыйметод, названный "алгоритм фильтрации при обработке данных изображения", открывает новые возможности для измерения космических расстояний, в том числе для использвоания постоянной Hubble.
Планетарные туманности хорошо изучены в окрестностях Солнца, и известны как красочные объекты, которые появляются в конце жизни звезды, когда она эволюционирует от стадии красного гиганта до стадии белого карлика: когда звезда израсходовала свое топливо для ядерного синтеза, она теряет свою газовою оболочку попадая в межзвездное пространство, сжимается, становится чрезвычайно горячей. В отличие от непрерывного спектра звезды, ионы определенных 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 слабые туманности видимыми. Ближайший объект такого типа в нашем Млечном Пути — туманность Винтовая линия, удаленная от нас на 650 световых лет.
По мере увеличения расстояния до планетарной туманности видимый диаметр изображения уменьшается, а суммарная видимая яркость уменьшается пропорционально квадрату расстояния. В соседней с нами галактике, Галактике Андромеды, на расстоянии почти в 4000 раз больше, туманность Спираль будет видна только в виде точки, а ее видимая яркость будет почти в 15 миллионов раз слабее. Тем не менее, с помощью современных больших телескопов и большого времени экспозиции такие объекты можно отображать и измерять с помощью оптических фильтров или спектроскопии изображений.
Используя инструмент PMAS, разработанный в AIP, исследователям впервые удалось сделать это с помощью интегральной полевой спектроскопии для нескольких планетарных туманностей в Галактике Андромеды в 2001–2002 годах на 3,5-метровом телескопе обсерватории Калар-Альто. Однако относительно небольшое поле зрения PMAS еще не позволяло исследовать более крупную выборку объектов.
На дальнейшую разработку этих первых экспериментов с использованием более мощного инструмента с более чем в 50 раз большим полем зрения на гораздо большем телескопе потребовалось добрых 20 лет. MUSE на Очень Большом Телескопе в Чили был разработан в первую очередь для обнаружения очень слабых объектов на краю Вселенной, которые мы сейчас наблюдаем, — и с первых наблюдений дала впечатляющие результаты для этой цели. Именно это свойство также играет роль при обнаружении чрезвычайно слабых PN в далекой галактике.
Галактика NGC 474 является ярким примером галактики, которая в результате столкновения с другими, меньшими галактиками образовала заметную кольцевую структуру из звезд, рассеянных гравитационными эффектами. Она находится на расстоянии примерно 110 миллионов световых лет, что примерно в 170 000 раз дальше, чем туманность Улитка. Таким образом, видимая яркость планетарной туманности в этой галактике почти в 30 миллиардов раз ниже, чем у туманности Хеликс, и находится в диапазоне космологически интересных галактик, для которых команда разработала инструмент MUSE.
Группа исследователей из AIP вместе с коллегами из США разработала метод использования MUSE для выделения и точного измерения чрезвычайно слабых сигналов планетарных туманностей в далеких галактиках с высокой чувствительностью. Здесь важную роль играет особенно эффективный алгоритм фильтрации при обработке данных изображения. Для кольцевой галактики NGC 474 доступны архивные данные ESO, основанные на двух очень глубоких экспозициях MUSE с временем наблюдения 5 часов каждая. Результат обработки данных: после применения алгоритма фильтрации стали видны 15 крайне слабых планетарных туманностей.
Эта высокочувствительная процедура открывает новый метод измерения расстояний, который подходит для решения обсуждаемого в настоящее время несоответствия в определении постоянной Hubble. Планетарные туманности обладают тем свойством, что физически невозможно превышение определенной максимальной светимости. Функция распределения светимости образца в галактике, то есть функция светимости планетарных туманностей (PNLF), обрывается на ярком конце. Это свойство стандартной свечи, которое можно использовать для расчета расстояния статистическими методами. Метод PNLF был разработан еще в 1989 году членами группы Джорджем Джейкоби (NOIRLab NSF) и Робином Чардулло (Университет штата Пенсильвания). Он был успешно применен к более чем 50 галактикам за последние 30 лет. но был ограничен измерениями фильтров, которые использовались до сих пор. Галактики с расстояниями больше, чем у скоплений Девы или Форнакса, находились за пределами диапазона.
Исследование, опубликованное в настоящее время в The Astrophysical Journal, показывает, что MUSE может достигать более чем удвоенного диапазона, что позволяет проводить независимые измерения постоянной Hubble.
