Далекие галактики стали доступнее

Российские астрономы разработали методику исследования далеких галактик

Николай Подорванюк 11.11.2011, 15:06
Галактики в обзоре SDSS sdss3.org
Галактики в обзоре SDSS

Российские астрономы, обработав с помощью Виртуальной обсерватории данные относительно 200 000 галактик, изобрели методику, которая позволит определять структуру далеких галактик, расстояние до них и другие важные параметры буквально по трем снимкам.

Астрофизические объекты невозможно непосредственно потрогать или задействовать в экспериментах. Об их физических свойствах или расстоянии до них можно судить или по прямым наблюдениям, или по некоторым косвенным признакам. Так, американский астроном Эдвин Хаббл, когда писал свою знаменитую статью «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей», из которой следовало, что Вселенная расширяется, для определения расстояний до далеких галактик использовал переменные звезды — цефеиды. Относительно этих звезд известна зависимость «период — светимость», поэтому если с помощью наблюдений можно узнать период колебания блеска звезды, то из него можно определить сначала светимость, а затем и расстояние до нее и, следовательно, до всей галактики.

Подобная стратегия использовалась в конце XX века астрономами, которые определили, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением.

Этот важный вывод, за который в 2011 году была присуждена Нобелевская премия, также был сделан учеными в результате исследований далеких галактик, а для определения расстояний до них использовались сверхновые типа Ia, которые обладают свойством «стандартной свечи», т. е. имеют примерно одинаковую светимость в максимуме блеска.

Но далеко не во всех наблюдаемых галактиках видны такие «маяки», как цефеиды или сверхновые Ia. Современные телескопы позволяют обнаруживать галактики на таких огромных расстояниях, что весьма затруднительно не только исследовать структуру, но и фиксировать даже такие мощные выбросы энергии, как взрыв сверхновой, не говоря уж о том, чтобы изучать цефеиды. Изображений далеких галактик, полученных наземными телескопами, оказывается недостаточно для определения их морфологических типов и оценки расстояний до них. Эти задачи требуют привлечения дополнительных данных, таких как прямые изображения и спектральные наблюдения высокого разрешения, полученные при помощи космического телескопа. Но в настоящее время астрономам известны многие миллионы галактик — понятно, что физически невозможно пронаблюдать каждую из них на космическом телескопе «Хаббл».

Тем не менее некоторые сведения о морфологии галактик можно получать по результатам фотометрических наблюдений, поскольку цвет отдельной галактики связан с ее морфологическим типом и определяется в первую очередь историей звездообразования в ней.

Такая идея, в частности, высказывалась еще Эдвином Хабблом (E. Hubble, The Realm of the Nebulae. Oxford University Press, 1936); во второй половине XX века она получила подтверждение. В 1999 году на основе наблюдений порядка 1000 галактик на космическом телескопе имени Хаббла астрономы построили диаграмму, связавшую цвета галактик, их морфологические типы, светимость и другие параметры. А в 2001 году были представлены результаты более масштабной работы, когда группа ученых во главе с Искрой Стратевой (Германия) опубликовала результаты анализа почти 150 000 изображений галактик, полученных в ходе обзора Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Для этих галактик была построена диаграмма, связавшая показатели цвета галактики в оптике (использовалась разность потоков в фильтре g, т.е. зеленая область спектра, и r, красная область спектра) со светимостью галактики. На этой диаграмме были выявлены две четкие области. Первая — «красная последовательность» (Red sequence), которую в основном составляют более старые галактики, эллиптические и линзовидные, где нет областей текущего звездообразования. Другая область — «синее облако» (Blue cloud), которую населяют в основном более молодые спиральные галактики, где звездообразование происходит и в настоящее время.

Казалось бы, используя такую диаграмму, можно, получив из наблюдений показатели цвета галактики и ее звездную величину, немедленно определить, к какому морфологическому типу она относится, какая у нее структура, какого она возраста и т. п.

Однако для полноценной классификации галактик эту диаграмму использовать нельзя по целому ряду причин. Она не дает однозначного соответствия между положением галактики на диаграмме (т. е. цветом галактики и ее яркостью) и ее морфологическим типом (например, обычно спиральные галактики средних размеров имеют голубой цвет, но все же иногда среди них встречаются и красные объекты). В целом около 25% галактик на «красной последовательности» являются спиральные, в т. ч. видимыми с ребра, хотя основная масса таких галактик находится в «синем облаке»: их цвета «краснеют» за счет поглощения излучения космической пылью. К тому же «синее облако» имеет область пересечения с «красной последовательностью»: туда попадают галактики, в которых звездообразование завершилось по галактическим меркам совсем недавно — несколько сот миллионов лет назад.

Чтобы избежать этих проблем, российские астрономы Игорь Чилингарян и Иван Золотухин, помимо ГАИШ МГУ работающие в Гарвард-Смитсонианском астрофизическом центре (США) и Парижской обсерватории (Франция) соответственно, сделали такую диаграмму не плоской, а трехмерной, добавив туда показатели цвета в ближнем ультрафиолете. Работа проводилась с использованием методов Виртуальной обсерватории. Одним из примеров эффективности таких методов можно назвать более раннее исследование Игоря Чилингаряна и его коллег, результаты которого опубликованы в Science и о котором рассказывала «Газета.Ru»: там описывалось открытие более двух десятков новых уникальных объектов, компактных эллиптических галактик, выполненное при помощи Виртуальной обсерватории.

Двумерная диаграмма цвет-величина для галактик из обзора SDSS (слева) и трехмерное распределение, предложенное в новом исследовании (справа). По оси абсцисс на левой панели показана светимость галактик, по оси ординат - оптический цвет g-r. На трехмерном графике к этим осям добавлен ультрафиолетовый цвет NUV-r, и все распределение развернуто для удобства отображения, так что добавленное третье измерение оказывается примерно в плоскости рисунка справа налево. Распределение 200000 галактик показано желтым и оранжевым, в то время как индивидуальными символами отмечены редкие объекты, не лежащие на поверхности (около 1%). Для примера показаны положения трех галактик на дву- и трехмерной диаграммах - линзовидной, спиральной и компактной эллиптической // Алексей Сергеев
Двумерная диаграмма цвет-величина для галактик из обзора SDSS (слева) и трехмерное распределение, предложенное в новом исследовании (справа). По оси абсцисс на левой панели показана светимость галактик, по оси ординат - оптический цвет g-r. На трехмерном графике к этим осям добавлен ультрафиолетовый цвет NUV-r, и все распределение развернуто для удобства отображения, так что добавленное третье измерение оказывается примерно в плоскости рисунка справа налево. Распределение 200000 галактик показано желтым и оранжевым, в то время как индивидуальными символами отмечены редкие объекты, не лежащие на поверхности (около 1%). Для примера показаны положения трех галактик на дву- и трехмерной диаграммах - линзовидной, спиральной и компактной эллиптической // Алексей Сергеев

В нынешней работе Чилингарян и Золотухин использовали Виртуальную обсерваторию для построения многоволнового каталога галактик путем кросс-идентификации объектов в трех крупных фотометрических обзорах: NASA Galaxy Evolution Explorer (ультрафиолетовый диапазон), Sloan Digital Sky Survey (оптический диапазон) и UK Infrared Telescope Deep Sky Survey (ближний инфракрасный диапазон). «Мы составили каталог из более чем 200 000 галактик. После этого мы тщательно изучили то, что у нас получилось, — рассказывает Иван Золотухин, — и обнаружили, что подавляющее большинство этих галактик имеют связь между показателями цвета в оптике и ультрафиолете, а также светимостью, и все это также связано со свойствами галактик и их морфологией. К широко используемой астрономами диаграмме «цвет в оптике – звездная величина» мы добавили еще одну размерность – «цвет в ультрафиолете».

Если галактики на двумерной плоскости разбились на две значимые области, то в трехмерном пространстве они неожиданным образом легли вдоль тонкой гладкой поверхности, указывая на новую, непонятную пока закономерность».

«Наша работа позволит астрономам классифицировать миллионы галактик и определять до них расстояния, используя только их изображения, — говорит Игорь Чилингарян. — Для далеких галактик, структуру которых мы не можем увидеть напрямую, теперь возможно определить их морфологический тип (то есть узнать, является ли звездная система спиральной или эллиптической), лишь измеряя их поток. Еще один плюс нашей работы состоит в том, что теперь будет легко идентифицировать представителей редких типов галактик (таких, как, например, компактные эллиптические галактики), так как они находятся обособленно на нашей трехмерной диаграмме. Физическая природа отрытой нами тесной фотометрической зависимости пока не ясна — она представляет собой очередной вызов для теоретиков и исследователей, занимающихся численным моделированием эволюции галактик».

Соответствующая публикация вышла на минувшей неделе в престижном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (импакт-фактор 4,888). С работой можно ознакомиться и на сайте препринтов ArXiv.org.

«За почти два года, что прошли с момента публикации лекции о Виртуальной обсерватории в «Газете.Ru», эта международная инициатива сделала существенный шаг вперед, — рассказывает Золотухин. — Теперь ученым доступно еще больше стандартных возможностей доступа к астрономическим данным, позволяющих существенным образом оптимизировать научную деятельность.

Например, компиляция такого каталога, как созданный в рамках данного исследования, потребовала бы гигантского труда, непосильного для двух астрономов еще каких-нибудь 10 лет назад.

Нынче же открытия, подобные этому, стало возможным делать прямо в процессе демонстрации залу возможностей Виртуальной обсерватории, как это получилось у нас с Игорем на конференции в Бостоне в конце 2010 года. Однако есть и моменты, которые нас огорчают. Это, безусловно, лишь формальное присутствие некоторых стран — участниц Международного альянса виртуальных обсерваторий, без какого-либо вклада в его деятельность (к таким можно отнести, к сожалению, и Россию), а также медленная адаптация технологий Виртуальной обсерватории крупными центрами астрономических данных (например, крупнейшей коллекцией наблюдательных данных в мире — архивом Европейской южной обсерватории) и, как следствие, слабое проникновение новых методов в научном сообществе. Как активные исследователи, мы уделяем особое внимание последней проблеме».