Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

«Тарелки», смотрящие в прошлое

Самый масштабный в истории астрофизики проект ALMA построен; представлены важные результаты, связанные с рождением звезд

Записал Николай Подорванюк 14.03.2013, 10:13
Комплекс телескопов ALMA под Млечным путем ESO/B. Tafreshi
Комплекс телескопов ALMA под Млечным путем

Строительство самого масштабного в истории астрофизики проекта ALMA завершено. В журнале Nature были опубликованы полученные на нем важные астрофизические результаты, связанные с самыми интенсивными в истории Вселенной всплесками звездообразования. Специально для «Газеты.Ru» Европейская южная обсерватория (ESO) и глава отдела ALMA ESO профессор Вольфганд Вильд рассказывают о проекте и его первых научных достижениях.

О проекте

Высоко в Чилийских Андах находится плато Чахнантор, где Европейская южная обсерватория со своими партнерами накануне закончила строительство комплекса телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array — Атакамский большой миллиметровый-субмиллиметровый массив). Все 66 антенн установлены, одну из последних антенн по участку шоссе на плато Чахнантор лично провез президент Чили Себастьян Пиньера. Последние семь «тарелок» сейчас проходят тестирование перед вводом в эксплуатацию. При этом, работая лишь частью решетки, телескоп уже получил изображения космических объектов беспрецедентного качества.

Плато Чахнантор, находящееся на высоте 5000 м над уровнем моря, выбрано для строительства комплекса не случайно. Миллиметровое и субмиллиметровое излучение, идущее к нам от холодных газовых облаков и самых далеких галактик, интенсивно поглощается водяным паром атмосферы Земли.

Поэтому такие инструменты, как ALMA, нацеленные на прием излучения с длиной волны около миллиметра, нужно строить на высоких местах с пониженной влажностью, каким и является плато Чахнантор.

Комплекс ALMA — самый масштабный наземный астрономический проект в плане финансирования и международного сотрудничества. Как уже говорилось, он состоит из 66 антенн, формирующих интерферометр: все «тарелки» комплекса могут работать вместе как один большой телескоп. Такой совместный принцип работы антенн необходим, потому что разрешение телескопа зависит от длины волны и диаметра главного зеркала или «тарелки» — чем больше длина волны излучения и чем меньше диаметр телескопа, тем хуже разрешение. Так, телескоп, наблюдающий излучение с длиной волны в миллиметр, будет иметь худшее разрешение по сравнению с оптическим телескопом того же размера. Чтобы добиться лучшего разрешения в миллиметровом диапазоне, нужно построить интерферометр, состоящий из нескольких антенн, и тогда разрешение будет зависеть уже не от диаметра «тарелки», а от максимального расстояния между антеннами.

Меняя конфигурацию — увеличивая расстояние между «тарелками», можно различать все более мелкие детали наблюдаемого объекта.

В комплексе ALMA есть два вида антенн — «тарелки» диаметром 12 м и 7 м. Эти антенны предоставлены тремя разными компаниями из Европы, Северной Америки и Японии. Ученые из стран-членов ESO работают со всеми этими антеннами.

Уникальная возможность проводить наблюдения на ALMA могла бы появиться и у российских астрономов, если бы Россия вступила в ESO.

Это было бы очень важно, так как Россия — страна, делающая большой вклад в астрономию, российские ученые работают с широким спектром астрономических проблем и занимаются как наземными, так и космическими проектами.

Проект ALMA, как и любой другой замысел подобного масштаба, имеет длительную историю создания. Предшественником проекта стала 12-метровая тарелка APEX (Atacama Pathfinder Experiment), расположенная по дороге на плато Чахнантор. Сейчас этот телескоп используется как дополнение к комплексу — обладая большим полем зрения, он позволяет найти интересные объекты, которые затем можно будет пронаблюдать гораздо более детально на ALMA.

Решение построить ALMA было принято европейцами и североамериканцами еще до того, как на APEX были проведены первые научные наблюдения — в 2003 году. При этом совместная разработка проекта началась еще в 1999 году, а подходящее место для комплекса начали подыскивать еще раньше — в 1995 году. В 2004 году к этому двухстороннему проекту присоединилась Япония, что дало новый толчок к его развитию.

Первые научные результаты на ALMA были получены 30 сентября 2011 года, как это и планировалось еще в 2007 году.

11 октября 2012 года один из первых результатов, полученных в режиме научного тестирования ALMA, был опубликован в Nature (о чем рассказывала «Газета.Ru»): у красного гиганта R Скульптора была обнаружена спиральная оболочка. Нет никакого сомнения в том, что теперь, когда ALMA полностью запущен в работу, по результатам, полученным на нем, выйдет большое число публикаций.

Ведь ALMA является наиболее эффективным инструментом для наблюдения холодной Вселенной — молекулярного газа, пыли и реликтового излучения Большого взрыва.

С помощью ALMA можно будет изучать облака, из которых образуются звезды, планетарные системы и далекие галактики. Детальные изображения звезд и планет, образующихся из газовых облаков возле нашей Солнечной системы, и детектирование далеких галактик, находящихся на границе наблюдаемой Вселенной, позволит ученым ответить на ряд глубоких вопросов о физике звезд и планет и образовании нашей Вселенной.

В день инаугурации телескопа ALMA были обнародованы результаты, полученные в рамках ранней научной программы этого телескопа. Оказалось, что самые интенсивные всплески звездообразования в космосе происходили гораздо раньше, чем до сих пор считалось. Эти результаты публикуются в серии статей, которые 14 марта появились в журналах Nature и Astrophysical Journal.

О первых результатах

Считается, что наиболее интенсивные вспышки звездообразования происходили в ранней Вселенной, в массивных ярких галактиках. Эти «галактики со вспышками звездообразования» превращали гигантские запасы космического газа и пыли в новые звезды с бешеной скоростью, во много сотен раз быстрее, чем это происходит в неторопливых спиральных галактиках, к которым относится и наш Млечный Путь. Заглядывая на очень большие расстояния в пространстве и наблюдая галактики столь удаленные, что свет от них идет к нам много миллиардов лет, астрономы могут видеть, что происходило в эти бурные времена молодости Вселенной.

«Чем дальше от нас галактика, тем дальше назад во времени мы можем заглянуть. Поэтому, измеряя расстояния до галактик, мы можем проследить, насколько бурно происходило звездообразование во Вселенной на протяжении всех 13,7 млрд лет ее истории», — говорит Хоакин Виейра из Калифорнийского технологического института, США, руководитель исследовательской группы и автор первой статьи в Nature.

Ученые впервые обнаружили далекие загадочные галактики со вспышками звездообразования с 10-метровым телескопом Национального научного фонда США на Южном полюсе (South Pole Telescope – SPT, об этом телескопе «Газета.Ru» рассказывала летом прошлого года). Затем астрономы использовали мощь телескопа ALMA, чтобы изучить этот бум рождения звезд в ранней Вселенной в более крупном масштабе. С удивлением они обнаружили, что многие из далеких богатых пылью звездообразующих галактик на деле находятся еще дальше, чем первоначально предполагалось.

А это означает, что в среднем вспышки звездообразования в них происходили 12 млрд лет назад, когда возраст Вселенной не достигал даже 2 млрд лет — на целый миллиард лет меньше, чем считалось.

Две из этих галактик вообще самые далекие из известных галактик такого вида. Они находятся так далеко, что их свет начал свое путешествие к нам, когда Вселенной исполнился лишь один миллиард лет. Более того, в спектре одной из галактик-рекордсменов обнаружены молекулярные линии воды. Это самые далекие молекулы космической воды из обнаруженных на сегодняшний день.

Группа использовала непревзойденную чувствительность ALMA, чтобы зарегистрировать свет от 26 из этих галактик на длине волны около трех миллиметров. Молекулы газа в галактиках испускают излучение на характеристических длинах волн; вследствие расширения Вселенной, за миллиарды лет, в течение которых это излучение путешествует, прежде чем достичь нас, его длина волны увеличивается. Измерив, насколько выросла длина волны, астрономы могут вычислить продолжительность этого путешествия и таким образом разместить каждую наблюдаемую галактику в соответствующей точке истории Вселенной.

«Чувствительность и широкий диапазон длин волн, принимаемых телескопом ALMA, делают возможным выполнить такие измерения, тратя всего несколько минут на одну галактику — примерно в сто раз быстрее, чем прежде», — говорит Аксель Вайсс из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне (Германия), руководитель работ по измерению расстояний до галактик. «Прежде такие измерения были бы трудоемким процессом комбинирования данных, полученных с оптическими и радиотелескопами».

В большинстве случаев наблюдений на ALMA достаточно для определения расстояния, но для нескольких галактик астрономам пришлось дополнить данные ALMA измерениями на других телескопах, в том числе на APEX и Очень Большом Телескопе ESO.

В работе использовались только 16 из полного комплекта 66 гигантских антенн решеток телескопов ALMA, поскольку обсерватория, расположенная на высоте 5000 м на пустынном плато Чахнантор в Чилийских Андах, еще находилась в процессе строительства. Когда строительство телескопа будет завершено, ALMA станет еще чувствительнее и будет способна регистрировать еще более слабые галактики. Сейчас астрономы отбирают более яркие из них. Кроме того, они пользуются помощью самой природы: гравитационное линзирование — эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, когда свет от удаленной галактики фокусируется гравитационным полем другой, более близкой к нам галактики, может увеличить видимую яркость слабого удаленного источника.

Схема, демонстрирующая эффект гравитационного линзирования. Стрелка от телескопов демонстрирует, что... ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calcada (ESO), Y. Hezaveh et al.
Схема, демонстрирующая эффект гравитационного линзирования. Стрелка от телескопов демонстрирует, что вследствие конечности скорости света на далеких расстояниях мы наблюдаем то, что происходило с галактиками в прошлом. В случае, если на пути объекта (background galaxy) находится некоторая массивная галактика (foreground galaxy), она своим гравитационным полем, словно оптическая линза, может вызвать искривление лучей света и создать мнимые множественные изображения объекта. Подробнее о гравитационном линзировании можно прочитать в недавней лекции Николая Шакуры и Павла Аболмасова на «Газете.Ru»

Чтобы получить точную оценку увеличения видимой яркости галактик вследствие гравитационного линзирования, астрономы получили их более резкие изображения, вновь отнаблюдав их с телескопом ALMA на длине волны около 0,9 мм.

«Эти великолепные снимки, полученные с ALMA, показывают, что изображения галактик фона деформированы многочисленными световыми арками, известными под названием колец Эйнштейна, которые окружают изображения более близких галактик, — говорит Яшар Гезаве из Университета Мак-Гилл в Монреале (Канада), руководитель исследований по гравитационному линзированию. — Мы используем как космический телескоп большие массы темной материи, окружающие галактики, которые лежат на полпути между нами и исследуемыми галактиками, благодаря этому удаленные галактики выглядят больше и ярче».

Анализ гравитационных искажений показал, что светимость некоторых удаленных галактик с активным звездообразованием достигает 40 трлн (40 миллионов миллионов) Солнц и что гравитационнное линзирование дает для них увеличение до 22 крат.

«До сих пор в субмиллиметровом диапазоне было найдено всего лишь несколько гравитационно линзированных галактик.

Теперь при помощи телескопов SPT и ALMA их открыты десятки, — говорит Карлос Де Бройк из ESO, член исследовательского коллектива. — Раньше такие исследования велись в основном в видимой области спектра при помощи Космического телескопа Хаббла, но наши результаты показывают, что ALMA является очень сильным новым игроком на этом поле».

«Это прекрасный пример того, как сотрудничество астрономов всего мира, использующих первоклассное оборудование, приводит к впечатляющему открытию, — говорит член группы Дэниэл Мэрроун из Аризонского университета (США). — Это только начало работы ALMA и исследований галактик с вспышками звездообразования. Следующим нашим шагом будет более детальное изучение этих объектов и точное определение того, как и почему звезды образуются в них в таких невероятных количествах».