Вселенная в 3D, темная материя и звезды-чужаки

Сколько нам открытий чудных готовит старейший цифровой обзор неба

Телескоп Слоановского обзора. Фото: Sloan Digital Sky Survey

Слоановский цифровой обзор неба недавно выпустил 13-й релиз данных. Что интересного по ним можно выяснить и какое будущее ждет этот проект, «Чердаку» рассказал Дмитрий Бизяев, сотрудник обсерватории Апачи-Поинт в США и Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (МГУ).

— Этот проект начал наблюдения в 2000 году. В нем использовался специально построенный для этого телескоп. Сначала обзор проводился цифровой камерой. Камера на тот момент была самая «продвинутая» — огромная мозаика из 54 матриц. Изначально проект задумывался так: если погода хорошая, то делаются изображения в оптическом диапазоне, в нескольких цветах одновременно. Если набежали облачка или показалась Луна, телескоп переключается на спектроскопию, которой это особо не мешает. К 2009 году все необходимые изображения неба были получены и оптическую камеру «отправили на пенсию».

Обзор полностью переключился на спектроскопию. Это намного важнее и интереснее, чем просто сделать изображения, хотя это и труднее объяснить публике. В съемке в оптическом диапазоне есть что-то от любительства: взяли и наснимали картинок. Все любят картинки, но настоящая наука начинается, когда их начинают снимать с разными фильтрами, чтобы посмотреть, как объект выглядит в разных диапазонах оптического спектра. Снять спектр, то есть посмотреть, сколько света поступает на какой частоте, — логическое продолжение этой идеи и позволяет получить много интересной информации, которую съемка картинок не дает.

Современный Слоановский обзор — это симбиоз нескольких проектов, использующих общий 2,5-метровый широкоугольный телескоп и инфраструктуру на обсерватории Апачи-Поинт. Эти проекты наблюдают совершенно разные объекты, но могут делать это одновременно — главное, чтобы объекты располагались близко друг от друга на небе. Обзор BOSS (и его «наследник» eBOSS) занимается далекими галактиками и построением трехмерной картины Вселенной. MaNGA получает панорамные спектры близких галактик. APOGEE — это наблюдение отдельных звезд в нашей Галактике в инфракрасном диапазоне.

Трехмерная карта Вселенной

— Обзор BOSS официально закончился в 2014 году и сменился родственным по идеологии проектом eBOSS. Результаты — определение различных космологических параметров по трехмерным картам Вселенной — были направлены в научные журналы в июле этого года. Главная задача BOSS — изучить так называемые барионные акустические осцилляции в ранней Вселенной. В первичной плазме, заполнявшей раннюю Вселенную, распространялись акустические волны. С подобными волнами мы имеем дело, когда слышим звуки. Когда волны распространяются в воздухе, они создают в нем области более разреженные и более плотные, просто мы не их видим. Когда Вселенной было около 400 тысяч лет, волны «вмерзли» в структуру вещества в космосе. Поэтому расстояния между галактиками неоднородны, и в структуре Вселенной видны сгустки и разрежения, образовавшиеся в соответствии с длинами проходивших через вещество волн.

Срез трехмерной карты Вселенной, составленной по данным BOSS. Срез нарисован с использованием только 50 тысяч галактик: желтые ближе к Земле, фиолетовые — дальше
Срез трехмерной карты Вселенной, составленной по данным BOSS. Срез нарисован с использованием только 50 тысяч галактик: желтые ближе к Земле, фиолетовые - дальше. Иллюстрация: Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration


Эту структуру исследуют, измеряя расстояние от нас до других галактик: по спектру мы узнаем скорость, с которой галактика от нас удаляется, а закон Хаббла позволяет нам пересчитывать скорость в расстояние до объекта. В последнем из опубликованных массивов данных BOSS — 1,2 миллиона галактик, а все данные BOSS и eBOSS охватывают уже около 2 миллионов объектов. По данным BOSS видно, что вещество во Вселенной расположено неоднородно: есть явная волокнистая структура с пустотами, волокнами, ячейками и скоплениями галактик. А данные моделирования показывают, что так распределяется не только видимая, но и темная материя.

Темная материя и необычные галактики

— Обзор MaNGA строит спектральные карты объектов, что позволяет изучать химический состав и движение вещества в относительно близких галактиках. Это дает возможность узнать, как они устроены и как эволюционируют. Например, по данным MaNGA хорошо получается исследовать необычные галактики, в которых газ и звезды вращаются в разных плоскостях, причем угол между осями вращения может достигать 180 градусов.

Детали движения вещества в галактиках дают возможность изучать не только видимую, но и темную материю. Давно известно, что галактики окружают массивные гало, состоящие из темной материи. Такое гало есть и у Млечного Пути, но вот детали распределения темной материи в гало малоизвестны. В то же время гало влияют на распределение видимого вещества в галактике. Например, у нашей Галактики есть спиральные рукава.

Галактика NGC 6744, которая может быть похожа по форме и размеру на Млечный Путь
Галактика NGC 6744, которая может быть похожа по форме и размеру на Млечный Путь. Иллюстрация: ESO


Моделирование показывает, что они могут легко возникать в дисках галактик, но сами по себе они поддерживаются не очень долго, а потом исчезают. Что же поддерживает существование спиральной структуры, которую мы наблюдаем во многих галактиках? Расчеты показывают, что одна из возможностей — это то, что пространственная форма темных гало в галактиках отличается от идеально симметричной, и это может поддерживать существование рукавов.

К настоящему времени MaNGA получила спектры примерно 2,5 тысяч галактик, а в планах — обзор 10 тысяч галактик. (Об одном из результатов, полученных MaNGA, «Чердак» уже писал: астрономы выяснили, как черные дыры в центрах галактик не дают рождаться новым звездам).

Чужие звезды в нашей Галактике

— Обзор APOGEE проводится на том же телескопе с помощью инфракрасного спектрографа, который находится в специальном помещении и подключен к телескопу по оптоволокну. Это увесистый «саркофаг», внутри которого поддерживается вакуум и низкая температура, чтобы уменьшить инфракрасные шумы. Он позволяет получать спектры звезд в плоскости и даже в центре нашей Галактики, где оптические приборы мало что могут разглядеть из-за пыли, и устанавливать по спектру скорость, удаленность и химический состав. APOGEE позволяет изучать более 15 химических элементов в звездах. Зная, как отдельное элементы распределены по Галактике, можно в деталях восстановить историю возникновения и эволюции нашей звездной системы.

Панорама Млечного Пути
Панорама Млечного Пути. Иллюстрация: ESO/S. Brunier


По химическому составу можно выявить звезды-пришельцы в нашей Галактике. Так, у Млечного Пути была галактика-спутник размером примерно с Магеллановы Облака, которая давным-давно столкнулась с нашей Галактикой и была по большей части поглощена (галактика Sagittarius). От нее остались «потоки», хвосты и сгустки из звезд, но различить их на фоне остальных звезд очень сложно. Тем не менее они движутся по-другому, а главное, у них другой химический состав, что и позволяет отделить их от родных звезд Млечного Пути.

На сегодняшний день APOGEE пронаблюдал уже более 200 тысяч звезд.

Большое Магелланово Облако, регион активного звездообразования
Большое Магелланово Облако, регион активного звездообразования. Иллюстрация: ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit


Спектрограф APOGEE также оказался довольно чувствительным к вариациям скорости, с которой звезды двигаются относительно Земли. Точное измерение скорости звезды позволяет использовать данные APOGEE для поиска экзопланет и коричневых карликов, поскольку если у звезды есть невидимый спутник, он заставляет звезду двигаться, меняя ее скорость.

Организаторам проекта удалось выиграть грант Национального научного фонда США на установку второго такого же прибора в Южном полушарии, так как из Северного полушария неудобно наблюдать центр Млечного Пути. Южный спектрограф должны собрать до конца этого года и запустить в работу на обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Самое сложное — доставить его туда и не повредить хрупкую оптику по дороге.

Будущее проекта

— После небольшой летней «передышки» на чистку и техосмотр телескопа и приборов начался очередной год наблюдений. Слоановский обзор будет наблюдать примерно до 2020 года, а что будет дальше — пока вопрос. Если 15 лет назад у нас почти не было конкурентов, то сейчас ситуация сильно изменилась. Телескоп с зеркалом 2,5 метра — это уже как-то несовременно. Передовую науку на нем делать можно, а вот получать финансирование на конкурентной основе становится все сложнее. Так что будущее у нас есть, но туманное.
Теги:

Читать еще на Чердаке: