Астрономы создали самую большую и точную карту светящегося водорода в ранней Вселенной

Астрономы, работающие с данными эксперимента HETDEX (Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment), создали крупнейшую и наиболее точную трёхмерную карту излучения возбуждённого водорода в ранней Вселенной, охватывающую период от 9 до 11 миллиардов лет назад. Этот специфический тип свечения, известный как излучение Лайман-альфа, в огромных количествах возникает при воздействии энергии звёзд на атомы водорода. Благодаря этому свойству оно служит отличным маркером для поиска ярких галактик в ту далёкую эпоху, которая характеризовалась всплеском звездообразования. Однако расположение более тусклых галактик и межгалактического газа, также испускающих это излучение, до сих пор оставалось практически неизвестным.

«Наблюдая за ранней Вселенной, мы получаем представление о том, как галактики эволюционировали до своей нынешней формы и какую роль в этом процессе играл межгалактический газ, — объяснила Майя Лухан Нимайер, учёный проекта HETDEX и недавняя выпускница Института астрофизики Макса Планка, которая руководила разработкой карты. — Но из-за огромной удалённости многие объекты того времени очень тусклы и трудны для наблюдения».

Используя технику, получившую название «линейное картографирование интенсивности» (Line Intensity Mapping), новая карта позволяет увидеть эти скрытые объекты, добавляя форму и нюансы в картину формирования Вселенной. Результаты исследования были опубликованы 3 марта в журнале The Astrophysical Journal. Любой свет можно разложить на составляющие его длины волн, получив спектр. Астрономы изучают спектры на предмет пиков и впадин, соответствующих присутствию различных элементов. Линейное картографирование интенсивности, в отличие от традиционного попиксельного наблюдения, отображает распределение и концентрацию конкретных элементов на огромных участках неба.

«Представьте, что вы смотрите вниз из самолёта. Традиционный способ проведения обзоров галактик подобен нанесению на карту только самых ярких городов: вы узнаёте, где находятся крупные центры населения, но упускаете всех, кто живёт в пригородах и небольших городках, — пояснил Джулиан Муньос, учёный HETDEX и доцент Техасского университета в Остине, соавтор статьи. — Картографирование интенсивности — это всё равно что смотреть на ту же сцену через запотевшее окно самолёта: изображение получается более размытым, но вы улавливаете весь свет, а не только самые яркие пятна».

Хотя метод картирования интенсивности не является новым, впервые он был применён для построения карты излучения Лайман-альфа на таком огромном массиве данных и с такой высокой точностью. Используя телескоп Хобби-Эберли в обсерватории Макдональд, проект HETDEX составляет карту положения более миллиона ярких галактик в рамках изучения тёмной энергии. Уникальность проекта заключается в объёме собранных данных — более 600 миллионов спектров — на огромном участке неба, площадь которого превышает 2000 полных лунных дисков.

«Однако мы используем лишь небольшую часть всех собираемых данных, около 5%, — отметил Карл Гебхардт, главный исследователь HETDEX и соавтор статьи. — В использовании оставшихся данных для дополнительных исследований скрыт огромный потенциал». «HETDEX наблюдает всё, что находится на определённом участке неба, но лишь ничтожная часть этих данных относится к галактикам, достаточно ярким для использования в основной программе, — добавила Лухан Нимайер. — Но эти галактики — лишь верхушка айсберга. В кажущихся пустыми областях между ними скрывается целое море света».

Для создания карты команда учёных написала специальное программное обеспечение и использовала суперкомпьютеры Техасского центра передовых вычислений, чтобы обработать около половины петабайта данных HETDEX. Затем, используя координаты ярких галактик, уже идентифицированных проектом, они рассчитали местоположение более тусклых галактик и светящегося газа поблизости. Благодаря свойству гравитации заставлять материю собираться в сгустки, там, где есть одна яркая галактика, почти наверняка находятся и другие объекты.

«Таким образом, мы можем использовать положение известных галактик как указатель для определения расстояния до более тусклых объектов», — объяснил Эйитиро Комацу, учёный HETDEX и научный директор Института астрофизики Макса Планка, соавтор статьи. Полученная карта позволяет лучше рассмотреть области вокруг ярких галактик и добавляет детали к пространствам между ними. «У нас есть компьютерные симуляции этого периода, — продолжил Комацу. — Но это всего лишь симуляции, а не реальная Вселенная. Теперь у нас есть основа, которая позволит понять, верна ли часть астрофизических допущений, лежащих в основе этих симуляций».

В будущем команда планирует сравнить свою карту с другими обзорами того же участка Вселенной, но составленными для других элементов. Например, карта интенсивности излучения угарного газа, который связан с плотными холодными облаками, где формируются звёзды, может пролить свет на условия, в которых находились молодые звёзды, испускающие излучение Лайман-альфа. «Это исследование — первое обнаружение, что само по себе захватывающе, и оно открывает дверь в новую эру картографирования Вселенной по интенсивности излучения, — подчеркнул Муньос. — Телескоп Хобби-Эберли — пионер в этой области. И с появлением новых, взаимодополняющих инструментов мы вступаем в золотой век картографирования космоса».