Астрономы, использующие данные, полученные в ходе эксперимента HETDEX (Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment), построили самую масштабную и детализированную трёхмерную карту излучения возбуждённого водорода в ранней Вселенной. Она отображает период от 9 до 11 миллиардов лет назад. Этот особый вид свечения, называемый излучением Лайман-альфа, образуется в больших количествах при воздействии звёздной энергии на атомы водорода. Это свойство делает его эффективным индикатором для обнаружения ярких галактик в то отдалённое время, которое ознаменовалось интенсивным звездообразованием. Однако расположение более слабых галактик и межгалактического газа, также испускающих это излучение, до сих пор оставалось практически неизученным.
«Изучение ранней Вселенной позволяет понять, как галактики приобрели современный вид и какую роль в этом развитии играл межгалактический газ, — так пояснила Майя Лухан Нимайер, сотрудник проекта HETDEX и недавняя выпускница Института астрофизики Макса Планка, руководившая разработкой карты. Однако из-за колоссального расстояния многие объекты той эпохи выглядят очень слабыми и их сложно наблюдать ».
Благодаря методу «линейного картографирования интенсивности» появилась новая карта, позволяющая увидеть ранее скрытые объекты и расширяющая наше понимание формирования Вселенной. Результаты исследования были обнародованы 3 марта в журнале The Astrophysical Journal. Любой свет можно разделить на составляющие его длины волн, что позволяет получить спектр. Астрономы анализируют спектры, выявляя пики и провалы, указывающие на наличие различных элементов. В отличие от обычного наблюдения за каждым пикселем, линейное картографирование интенсивности демонстрирует распределение и концентрацию конкретных элементов на обширных участках небесной сферы.
«Представьте себе вид из иллюминатора самолёта, когда вы смотрите вниз. Традиционные методы изучения галактик напоминают нанесение на карту лишь самых крупных городов: мы определяем местоположение крупных центров, но не учитываем жителей пригородов и небольших населённых пунктов, — так объяснил Джулиан Муньос, сотрудник HETDEX и доцент Техасского университета в Остине, один из авторов публикации. Изучение интенсивности — это как наблюдение за той же сценой сквозь запотевшее стекло: изображение становится менее чётким, но позволяет увидеть весь свет, а не только самые заметные участки ».
Несмотря на то, что метод картирования интенсивности известен достаточно давно, впервые он был использован для создания карты излучения Лайман-альфа на столь масштабном объеме данных и с такой высокой степенью детализации. В рамках проекта HETDEX, целью которого является изучение тёмной энергии, с использованием телескопа Хобби-Эберли в обсерватории Макдональд, построена карта положения более миллиона ярких галактик. Отличительной особенностью проекта является масштаб собранных данных: более 600 миллионов спектров, охватывающих огромную область неба, эквивалентную площади более 2000 полных лунных дисков.
«По словам Карла Гебхардта, главного исследователя HETDEX и соавтора публикации, лишь незначительная доля собранных данных, приблизительно 5%, находит применение. Оставшиеся данные обладают значительным потенциалом для дальнейших изысканий ». «HETDEX отслеживает все объекты, находящиеся в пределах заданного участка неба, однако лишь незначительная доля этих данных приходится на галактики, обладающие достаточной яркостью для использования в основной программе, – уточнила Лухан Нимайер. Но эти галактики представляют собой лишь видимую часть общей картины. В областях, кажущихся пустыми, между ними скрыто огромное количество света ».
Чтобы создать карту, исследователи разработали специальную программу и использовали суперкомпьютеры Техасского центра передовых вычислений для обработки приблизительно половины петабайта данных HETDEX. Далее, опираясь на координаты известных ярких галактик, полученных в рамках проекта, они определили расположение более слабых галактик и находящегося рядом светящегося газа. Свойство гравитации, которое приводит к образованию скоплений материи, позволяет предположить, что наличие одной яркой галактики указывает на присутствие и других объектов в этом же районе.
«В качестве ориентира для оценки расстояния до менее ярких объектов можно использовать расположение уже известных галактик », — пояснил Эйитиро Комацу, ученый HETDEX и научный руководитель Института астрофизики Макса Планка, один из соавторов публикации. Созданная карта позволяет более детально изучить области вблизи крупных галактик и дополняет информацию о пространствах между ними. « У нас имеются компьютерные модели этого периода, — продолжил Комацу. — Однако это лишь модели, а не сама Вселенная. Теперь у нас есть база, которая даст возможность оценить, соответствуют ли действительности некоторые астрофизические предположения, используемые при создании этих симуляций ».
В дальнейшем команде предстоит сопоставить полученную карту с другими обзорами того же участка Вселенной, созданными на основе различных данных. Так, карта распределения интенсивности излучения угарного газа, который ассоциируется с плотными холодными облаками, являющимися местами звездообразования, может помочь понять условия, существовавшие для молодых звёзд, излучающих в линии Лайман-альфа. « По словам Муньоса, это исследование является первым в своем роде, что само по себе вызывает большой интерес, и оно дает возможность начать картографирование Вселенной на основе интенсивности излучения. Телескоп Хобби-Эберли стал первопроходцем в этой сфере. С появлением новых, дополняющих друг друга инструментов мы вступаем в эпоху расцвета картографирования космоса ».