Астрономы используют галактический кластер в качестве рентгеновской линзы
AstroNews.ru - 15 Октября 2019 13:41:32
Астрономы в Массачусетском технологическом институте использовали массивное скопление галактик в качестве рентгеновского увеличительного стекла, чтобы посмотреть назад во времени, почти на 9,4 миллиарда лет назад. В процессе они обнаружили крошечную галактику-гномика на самых первых высокоэнергетических стадиях звездообразования.
В то время как скопления галактик использовались для увеличения объектов на оптических длинах волн, ученые впервые используют эти массивные гравитационные гиганты для увеличения масштабов экстремальных, далеких рентгеновских излучений.
То, что они обнаружили, кажется голубым пятнышком детской галактики, размером примерно 1/10 000 размера нашего Млечного Пути, посреди создания своих первых звезд - сверхмассивных, космически недолговечных объектов, которые испускают высокоэнергетические рентгеновские лучи, который исследователи обнаружили в виде ярко-синей дуги.
«Это маленькое синее пятно, означающее, что это очень маленькая галактика, которая содержит много очень горячих, очень массивных молодых звезд, которые образовались в последнее время», - говорит Мэтью Бэйлисс, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли при Массачусетском технологическом институте. «Эта галактика похожа на самые первые галактики, которые сформировались во вселенной. Это вид, который никто никогда раньше не видел в рентгеновских лучах в далекой вселенной».
Бэйлисс говорит, что обнаружение этой единственной далекой галактики является доказательством того, что ученые могут использовать скопления галактик в качестве естественных рентгеновских луп, чтобы выявлять экстремальные высокоэнергетические явления в ранней истории Вселенной.
«Используя эту технику, мы могли бы в будущем увеличить дальнюю галактику и датировать возраст ее различных частей - скажем, в этой части есть звезды, которые образовались 200 миллионов лет назад, по сравнению с другой частью, которая сформировалась 50 миллионов лет назад», - говорит Бэйлисс.
Он и его соавторы, в том числе Майкл Макдональд, доцент физики в Массачусетском технологическом институте, опубликовали свои результаты в журнале Nature Astronomy .
Свеча на свету
Галактические скопления - это самые массивные объекты во вселенной, состоящие из тысяч галактик, связанных гравитацией как одной огромной, мощной силой. Галактические скопления настолько массивны, а их гравитационное притяжение настолько велико, что они могут исказить ткань пространства-времени, изгибая вселенную и любой окружающий свет, так же, как огромной шар растягивается и искривляет сеть трапеции.
Ученые использовали скопления галактик в качестве космических увеличительных стекол, используя технику, известную как гравитационное линзирование. Идея состоит в том, что если ученые смогут приблизить массу скопления галактики, они смогут оценить ее гравитационное воздействие на любой окружающий свет, а также угол, на который скопление может отклонить этот свет.
Например, представьте, что наблюдатель, обращенный к скоплению галактик, пытался обнаружить объект, например одну галактику, позади этого скопления. Свет, излучаемый этим объектом, будет двигаться прямо к скоплению, а затем изгибаться вокруг скопления. Он продолжал бы двигаться к наблюдателю, хотя и под несколько иными углами, появляясь перед наблюдателем в виде зеркальных изображений одного и того же объекта, которые в итоге можно объединить в одно «увеличенное» изображение.
Ученые использовали скопления галактик для увеличения объектов на оптических длинах волн, но никогда в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра, главным образом потому, что сами скопления галактик испускают огромное количество рентгеновских лучей. Ученые подумали, что любое рентгеновское излучение, исходящее от фонового источника, было бы невозможно различить по яркому свету скопления.
«Если вы пытаетесь увидеть источник рентгеновского излучения за скоплением, это все равно, что пытаться увидеть свечу рядом с действительно ярким светом», - говорит Бэйлисс. «Таким образом, мы знали, что это была не простая задача».
Вычитание рентгеновских лучей
Исследователи задались вопросом: могут ли они вычесть этот яркий свет и увидеть свечу за ним? Другими словами, могут ли они удалить рентгеновские излучения, исходящие из скопления галактик, чтобы увидеть намного более слабые рентгеновские лучи, исходящие от объекта, находящегося позади и увеличенного скоплением?
Команда проверила эту идею с помощью наблюдений, сделанных рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА, одним из самых мощных в мире рентгеновских космических телескопов. В частности, они рассмотрели измерения Чандрой кластера Феникс, отдаленного скопления галактик, расположенного в 5,7 миллиардов световых лет от Земли, которое, по оценкам, примерно в четыре миллиарда раз массивнее Солнца, с гравитационными эффектами, которые должны сделать его мощной увеличительной линзой.
«Идея состоит в том, чтобы взять любой ваш лучший рентгеновский телескоп - в данном случае Chandra - и использовать естественную линзу, чтобы увеличить и эффективно рассмотреть более отдаленные галактики», - говорит Бэйлисс.
Он и его коллеги проанализировали наблюдения кластера Феникс, которые Чандра проводил непрерывно более месяца. Они также рассмотрели снимки скопления, сделанные двумя оптическими и инфракрасными телескопами - космическим телескопом Хаббл и телескопом Магеллан в Чили. Учитывая все эти различные данные, команда разработала модель для характеристики оптических эффектов кластера, которая позволила исследователям точно измерить рентгеновское излучение самого кластера и вычесть его из данных.
Они остались с двумя похожими схемами рентгеновского излучения вокруг кластера, которые, по их определению, были «линзовыми» или гравитационно изогнутыми кластером. Когда они проследили источник, они обнаружили, что все они произошли из одного отдаленного источника: крошечной карликовой галактики 9,4 миллиарда лет назад, когда самой Вселенной было примерно 4,4 миллиарда лет - примерно треть ее нынешнего возраста.
«Раньше Чандра видел всего несколько объектов на таком расстоянии», - говорит Бэйлисс. «Менее чем за 10 процентов времени мы обнаружили этот объект. И гравитационное линзирование - это то, что позволяет нам делать это в будущем».
Сочетание Чандры и естественной силы линзирования кластера Феникс позволило команде увидеть крошечную галактику, скрывающуюся за скоплением, увеличенную примерно в 60 раз. В этом разрешении они смогли увеличить изображение, чтобы увидеть два различных скопления в галактике, один из которых производит намного больше рентгеновских лучей, чем другой.
Поскольку рентгеновские лучи обычно генерируются во время экстремальных, кратковременных явлений, исследователи полагают, что первый богатый рентгеновскими лучами объект говорит о части карликовой галактики, в которой совсем недавно образовались сверхмассивные звезды, в то время как более спокойная область является более старой областью который содержит более зрелые звезды.
«Мы находим эту галактику на очень важной стадии, где есть действительно молодые звезды», - говорит Бэйлисс. «Каждая галактика должна была начинаться с этой фазы, но мы не видим большого количества подобных галактик в нашем окружении. Теперь мы можем вернуться в прошлое, посмотреть в далекую вселенную, найти галактики в этой ранней фазе жизнь, и начать изучать, как образование звезд отличается друг от друга ".