Иголка в стоге сена — в далеких галактиках обнаружены планетарные туманности

14.10.2024

Насколько может быть сложно, найти иголку в стоге сена? Если у вас хороший магнит — это дело времени. Но что если стог сена имеет масштабы галактики? Примерно так можно описать масштабы недавнего открытия астрономов.

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.

Источник: NCSA & CTIO/NOIRLab
Кольцевая галактика NGC 474 на расстоянии около 110 миллионов световых лет. Кольцевая структура образована процессами слияния сталкивающихся галактик.

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.

Источник: AIP.
Данные изображения MUSE в двух отмеченных полях на приведенном выше изображении кольцевой структуры NGC 474. Слева: изображение в континууме с полосой неразрешенных звезд, а также шаровые скопления, отмеченные кружками. Справа: отфильтрованное изображение красной смещенной эмиссионной линии кислорода, из которой планетарные туманности возникают как точечные источники шума. 

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.

Теги: