Телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил скрытую гравитационную дугу

В архиве наблюдений космического телескопа «Джеймс Уэбб» обнаружен ранее неизвестный кандидат на редкое космическое явление — гравитационную дугу. Необычный объект удалось найти при анализе общедоступных данных телескопа, которые уже использовались в предыдущих исследованиях.

Исследователь Хомер Давила Гутьеррес сообщает об обнаружении ранее не каталогизированной гравитационной дуги — явления, возникающего, когда свет от далёкого космического объекта значительно искривляется и увеличивается под воздействием гравитации расположенного между ним и Землёй чрезвычайно массивного объекта.

Новый кандидат получил обозначение A1. Его обнаружили на изображениях, полученных камерой NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб» при наблюдении галактического скопления MACS J0308.9+2645. Это огромное скопление галактик имеет красное смещение z = 0,356. По словам Гутьерреса, объект был найден в ходе систематического поиска вытянутых космических структур, ориентация и положение которых могли указывать на их происхождение в результате гравитационного линзирования.

Искривлённое пространство между источником света и наблюдателем

Гравитационное линзирование было предсказано общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Оно возникает, когда массивные объекты в космосе искажают окружающее пространство-время. В результате свет от более далёких объектов, например галактик, расположенных за массивным скоплением, искривляется на пути к Земле.

Громадная масса расположенных ближе к нам космических объектов изменяет траекторию света от более далёких источников. Благодаря этому астрономы получают искажённое изображение объектов, которые в обычных условиях могли бы быть гораздо сложнее для наблюдения.

Гравитационное линзирование может создавать различные характерные структуры, среди которых кольца Эйнштейна, кресты Эйнштейна и гравитационные дуги.

В случае с A1 речь идёт о заметно вытянутом объекте. Его поперечный размер составляет около 5,1 угловой секунды, а отношение длины к ширине достигает примерно 6,5. Объект расположен примерно в 51 угловой секунде от рентгеновского центра скопления MACS J0308.9+2645 и ориентирован по касательной относительно скопления. Именно такого расположения астрономы и ожидают от объекта, свет которого был сильно искажён гравитационным линзированием.

Галактика сначала казалась гораздо более далёкой

Чтобы обнаружить необычный кандидат на гравитационную дугу, Гутьеррес изучил 54 общедоступных поля наблюдений JWST/NIRCam, содержащих в общей сложности 1591 потенциальный источник.

Первичный фотометрический анализ показал весьма интересный результат. Предварительно объекту приписывалось красное смещение около z = 4,4. Если бы эта оценка была правильной, галактика находилась бы в периоде, соответствующем примерно первым 1,5 миллиарда лет истории Вселенной.

Однако при дальнейшем анализе возникла проблема. Каталожные фотометрические данные, использованные для первоначальной оценки, были разработаны главным образом для точечных или неразрешённых источников, а не для протяжённых структур вроде A1.

Из-за этого измерительные апертуры захватывали лишь часть общего света объекта. Кроме того, размер этих апертур изменялся в зависимости от длины волны. В результате возник эффект, из-за которого объект выглядел значительно краснее, чем был на самом деле.

Это имело принципиальное значение. Если бы необычно красный цвет действительно отражал его истинные характеристики, галактика могла бы находиться на значительно большем расстоянии.

Чтобы разобраться в этом вопросе, Гутьеррес применил несколько методов, лучше подходящих для анализа протяжённых объектов. Вместе с архивными наблюдениями, полученными ранее космическим телескопом «Хаббл», они позволили получить скорректированную оценку красного смещения около z = 1,4. Вероятный диапазон при этом составляет примерно от 1,2 до 1,7.

Дополнительным аргументом против первоначальной оценки z = 4,4 стало обнаружение объекта в фильтре F435W телескопа «Хаббл». При красном смещении z = 4,4 галактика должна была бы практически исчезнуть на соответствующих длинах волн из-за поглощения, связанного с так называемым пределом Лаймана.

Космическое увеличительное стекло

Затем исследователь сопоставил характеристики A1 с существующими моделями гравитационного поля скопления MACS J0308.9+2645. Анализ показал, что при красном смещении около z = 1,4 объект, вероятно, находится рядом с критической кривой скопления.

Критическая кривая представляет собой область, в которой гравитационное линзирование может особенно сильно растягивать изображение далёкой галактики. При этом дополнительное видимое изображение объекта не обязательно должно возникнуть.

Это обстоятельство также имеет значение для первоначальной оценки расстояния. Если бы A1 действительно находилась при красном смещении z = 4,4, гравитационное линзирование должно было бы создать ещё одно изображение этой галактики. Однако дополнительных линзированных «копий» объекта обнаружено не было.

«Наиболее вероятно, что A1 представляет собой галактику, расположенную за скоплением и подвергающуюся однократному гравитационному линзированию, при красном смещении z ≈ 1,4», — пишет Гутьеррес.

Кроме того, дуга имеет вогнутую кривизну, направленную в сторону центра скопления. Радиус её кривизны составляет примерно 19 угловых секунд. Однако исследователь подчёркивает, что статистическая значимость этого признака остаётся невысокой и зависит от используемого метода после учёта коррелированного шума.

В совокупности полученные данные указывают на то, что A1, скорее всего, является относительно близкой галактикой, изображение которой значительно исказила гравитация массивного скопления MACS J0308.9+2645, расположенного между ней и Землёй.

При этом обнаружение кандидата на гравитационную дугу имеет значение не только само по себе. Оно демонстрирует огромный научный потенциал архива наблюдений космического телескопа «Джеймс Уэбб». Значительная часть его данных уже находится в открытом доступе, однако далеко не все объекты в них изучены подробно.

Новая работа Гутьерреса показывает, что в опубликованном архиве «Джеймса Уэбба» могут находиться и другие ранее незамеченные космические явления. Для их обнаружения исследователям необходимо систематически анализировать огромные массивы уже полученных наблюдений.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.org.