Картографирование Вселенной

za_neptunie — 24.04.2018

   Остаётся всего несколько часов до одного из самых значимых событий в астрономии – публикации второго релиза астрометрической миссии Гайя. 25 апреля 2018 года число звезд с известным расстоянием (тригонометрическим параллаксом) увеличится со 100 тысяч до 1.3 миллиардов (на 4 порядка!). Для сравнения в начале 20 века число измеренных звездных параллаксов не превышало тысячи:



   Звездные каталоги положения звезд в начале 20 века включали в себя не более 100 тысяч звезд:



   Новый космический телескоп GAIA позволит составить самую точную карту Галактики. Как говорилось ранее точность измерения параллаксов и собственных движений европейским космическим телескопом для ярких звезд составляет от 0.1 до 10 угловых микросекунд:



  Для сравнения типичная точность измерения наземных телескопов и прошлой астрометрической миссии Гиппарх составляет несколько угловых миллисекунд. О передовых наземных астрометрических измерения можно прочитать в презентации сотрудника Пулковской обсерватории Елены Рощиной. В этой презентации подробно рассказывается о титанических усилиях российских астрономов по расконсервации старого метрового телескопа “Сатурн” и точной астрометрии звезд примерно до 20 звездной величины. Последние годы астрономам Пулковской обсерватории приходиться защищать охранную зону своей обсерватории от алчных застройщиков.



   Преимуществом наземных обсерваторий перед телескопом GAIA является возможность измерения положения более тусклых звезд. Так в вышеприведенном графике было показано, что новый 8-метровый обзорный телескоп LSST сможет измерять параллаксы звезд до 24 звездной величины. Ещё больше возможностей появится у 42-метрового чилийского телескопа E-ELT. С помощью камеры MICADO с полем 53 х 53 угловых секунд появится возможность астрометрии звезд как минимум до 28 звездной величины:



   Будущие телескопы подобные LSST и E-ELT приблизят нас к полной каталогизации всех звезд в нашей галактике. По теоретическим оценкам число звезд в нашей галактике составляет 200-300 миллиардов, а телескоп LSST сможет каталогизировать 17 миллиардов звезд:



  Очень перспективным направлением является астрометрия в инфракрасном диапазоне. Во-первых, этот диапазон позволяет измерять расстояния и положение звезд в плотных звездных скоплениях в направлении центра нашей галактики, который скрыт от нас плотными облаками пыли. Во-вторых, на этот диапазон электромагнитного спектра приходится максимум излучения красных и коричневых карликов – самой многочисленной популяции самосветящихся объектов во Вселенной.
Кроме того интересно отметить, что в настоящее время космический телескоп Хаббл и радиоинтерометры приближаются к астрометрической точности сравнимой с телескопом GAIA. Так телескоп Хаббл измерял параллаксы звезд с точностью до 30 угловых микросекунд. При измерении параллаксов звезд ближайшего древнего шарового скопления NGC 6397 ([Fe/H]=-2, возраст от 13.0 до 13.8 млрд. лет) Хаббл смог получить точность вплоть до 13 угловых микросекунд (!):



   Похожая астрометрическая точность получена космическим телескопом Хаббл для ближайших цефеид в рамках программы по уточнению постоянной Хаббла:



   Радиоинтерферометры позволяют получить ещё более высокую астрометрическую точность. Так прошлой осенью был опубликован рекордно небольшой параллакс, который был получен на массиве радиотелескопов VLBA (Very Long Baseline Array) для области звездообразования G007.47+00.05, находящейся на противоположной стороне от галактики. Погрешность измерения параллакса составила всего лишь 5-7 угловых микросекунд:





   С другой стороны продолжается активное картографирование Вселенной за пределами нашей галактики. Эдвин Хаббл опубликовал в 1929 году свой закон (позже названный законом Хаббла ) на основе измерения красного смещения у 46 галактик:



  Пример карты ближайших окрестностей нашей галактики (на ней также отмечены координаты прилета частиц космических лучей сверхвысоких энергий):



   К середине 20 века рекорды красного смещения превысили z=1. Первый систематический обзор по измерению красного смещения галактик был проведен в 1977-1982 годы в обсерватории Smithsonian Astrophysical Observatory (CfA Redshift Survey). Этот обзор включил в себя 2200 галактик. К 1995 году этот обзор был расширен до 18 тысяч северных галактик ярче 15.5 звездной величины (обзор CfA2). Одним из открытий этого обзора стала так называемая “Великая стена” (4-ая по размерам крупномасштабная структура Вселенной). Это структура находится в 200 миллионах световых лет от нас, обладает размером в 500 миллионов световых лет и толщиной в 15 миллионов световых лет. В тоже время термин “Великая стена” больше используется к ещё более масштабной структуре, которая была обнаружена с помощью телескопа SDSS:




  Великая стена SDSS или Слоуна находится на расстояние в 1.2 миллиарда световых лет и имеет протяженность около 1.4 миллиардов световых лет. О её открытии было объявлено в 2003 году:



   Карта расположения 300 тысяч массивных галактик с красным смещением z от 0.45 до 0.7 по данным обзора SDSS:



   К настоящему времени на 2.5-метровом телескопе SDSS с 2000 года получены спектры 2.5 миллионов галактик. В рамках пятой фазы проекта SDSS планируется получить уже более 20 миллионов спектров звезд и галактик:



   Этот обзор будет являться одним из крупнейших среди будущих спектроскопических обзоров:



   Как видно из таблицы (столбец Nmulti) число волокон в самых современных спектрографах достигло 4-5 тысяч (новейшие спектрографы DESI и LAMOST). Главной целью этих спектрографов будет спектроскопия более удаленных галактик:








   Несколько слайдов про проект DESI:











   Ещё большее количество спектров галактик планируется получить с помощью будущих космических телескопов. Так в проекте телескопа ATLAS речь идет о 200-300 миллионах спектров. Очевидно, что для спектроскопии галактик необходимо знать их точные координаты. В связи с этим становится актуальным всё более глубокое фотографирование неба. Как говорилось выше, обзор южного неба с помощью телескопа LSST каталогизирует примерно 20 миллиардов галактик. Аппроксимация количества галактик на очень глубоких полях телескопа “Хаббл“ говорит о том, что на всём небе должно существовать примерно 100 миллиардов галактик ярче 30-31 звездной величины. Конечно, эти оценки не являются окончательными, так как пик излучения далеких и тусклых галактик смещен к инфракрасному диапазону (некоторые теоретически оценки предполагают, что в нашей Вселенной существуют несколько триллионов галактик).

   Кроме спектроскопии галактик большой ценностью для картографирования Вселенной обладают наблюдения внегалактических транзиентов (сверхновых, гамма-всплесков и источников гравитационных волн). Так сверхновые первого типа (Ia) представляют собой один из наиболее точных стандартов при оценках внегалактических расстояний. Изучение далеких сверхновых Ia привело к обнаружению ускоренного расширения Вселенной и стало одним из доказательств существования темной энергии во Вселенной. Гамма-всплески регистрируются почти также часто как сверхновые (около тысячи в год), но они являются более редким событием (следствие столкновений нейтронных звезд). Считается, что в галактике происходят обычные взрывы сверхновых раз в несколько десятков лет, а слияния нейтронных звезд с гамма-всплеском раз в несколько сотен тысяч лет. К настоящему времени определены расстояния до нескольких сотен гамма-всплесков (это возможно лишь при спектроскопии их оптического послесвечения), их изучение позволило определить наиболее крупномасштабные структуры во Вселенной (протяженностью до 10 миллиардов световых лет). Недавно появился ещё один способ независимого (и более достоверного обнаружения) слияния нейтронных звезд: через регистрацию гравитационно-волнового излучения. Так в недавнем докладе В. Липунова наглядно показывается, что первая регистрация гравитационно-волнового излучения 17 августа прошлого года произошла вблизи наиболее плотных скоплений близких галактик из вышеперечисленного каталога Туле:



   Очевидно, что похожим потенциалом для картографирования крупномасштабной структуры Вселенной обладает и регистрация гравитационных волн от слияния черных дыр. Российские астрономы также активно принимают участие в систематизации внегалактических объектов. Недавно астрономы МГУ в сотрудничестве с французским астрономами составили каталог RCSED с информацией о 800 тысячах галактик.

  Принципиально новой возможностью картографирования Вселенной является поиск и изучение гравитационных линз. Гравитационное линзирование позволяет обнаруживать сверхновые и отдельные звезды на удалениях в миллиарды световых лет.

   Первые масштабные обзоры показывали, что Вселенная представляет собой ячеистую пенообразную структуру, состоящую из чередующихся сверхскоплений галактик (“стен”) и полостей (“войдов”). Существует гипотеза, что пустоты заполнены темной материей. В 2013 году был опубликован т.н. каталог Туле, который хорошо иллюстрирует пространственное расположение ближайших 30 тысяч галактик из база данных EDD (Extragalactic Distance Database), которые находятся в радиусе 300 миллионов световых лет.













   Ещё более крупной базой данных внегалактических объектов является база данных NASA (NED или NASA/IPAC Extragalactic Database). В ней содержится информация о сотнях миллионах галактик и 11 миллионах измеренных красных смещений:



   Инфракрасный обзор 2MASS получил информацию примерно о 1.5 миллионах галактик (каталог XSC (2MASS Extended Source Catalog)) и полумиллиарда звезд Млечного пути (каталог PSC (Point Source Catalog)). Комбинированное изображение этих каталогов:



   Синим и розовым цветом на карте выше показаны источники с красным смещением меньше 0.01, зеленым цветом показаны источники с красным смещением между 0.01 и 0.04, а красным цветом источники с красным смещением между 0.04 и 0.1.

   Поначалу количество полученных спектров для галактик было невелико, все изменилось с появлением мультиобъектных спектрографов, которые могли получать десятки - тысячи спектров одновременно. Особую роль в этом направлении сыграл 1.24-метровый британский телескоп системы Шмидта (построен в 1973 году) в Австралии. Этот телескоп является почти точной копией Паломарского телескопа, и был первоначально предназначен для продления Паломарских обзоров на южное небо. Поле телескопа являлось настолько большим (6 на 6 угловых градусов), чтобы после окончания эпохи фотографических пластинок было решено модернизировать телескоп в спектроскопический инструмент 6dF, состоящий из 150 отдельных волокон. В 2001-2009 годах в рамках проекта 6dFGS (6dF Galaxy Survey) были измерены красные смещения 120 тысяч галактик. В ближайшее время на телескопе ведется ещё более масштабный проект (Taipan galaxy survey) по спектроскопии двух миллионов галактик южного неба:



   С помощью другого австралийского телескопа (крупнейшего телескопа континента с 3.9-метровым зеркалом) в 1997-2002 годах был составлен каталог 2dF Galaxy Redshift Survey (Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey) состоящий примерно из 125 тысяч спектров галактик. При составлении этого каталога использовался спектрограф с 400 волокнами.
Вышеперечисленные обзоры сравнительно небольших телескопов старались концентрироваться на больших участках неба (тысячи квадратных градусов). Полной противоположностью этого стал обзор GAMA (Galaxy And Mass Assembly survey) по спектроскопии 375 тысяч галактик на участке неба площадью в 360 квадратных градусов. Этот обзор использовал данные телескопов, работающих в разных диапазонах спектра: AAT, VST, VISTA, ASKAP, GALEX и Herschel. Одним из открытий этого обзора стало обнаружение галактики GAMA202627, которая очень похожа на нашу галактику со спутниками Магеллановыми облаками (расстояние до неё составляет около 216 мегапарсек):



   Кроме сравнительно небольших обзорных телескопов в последние годы для выполнения задачи составления каталогов из большого количества спектров галактик стали привлекать и крупнейшие телескопы: телескопы Кек (DEEP2 Redshift Survey) и VLT (VIMOS-VLT Deep Survey). В ходе каждого из этих обзоров получено примерно по 50 тысяч спектров удаленных галактик.
Одной из основных задач продолжающегося картографирования галактик является изучение темной материи:

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив