Мы десятилетиями недооценивали Вселенную: астрономы обнаружили водородный туман, скрывающий настоящие размеры галактик

На протяжении многих десятилетий астрономические наблюдения строились вокруг изучения звезд. Когда исследователи направляли телескопы в космос, они фиксировали свет светящихся объектов и на основе этого делали выводы о размере, форме и массе галактик. Из-за этого сформировалось представление о галактиках как об относительно компактных системах с четкими границами, за пределами которых находится практически пустое межгалактическое пространство.

Однако галактики состоят не только из звезд и темной материи. Огромную часть их массы составляет газ, в первую очередь — водород. Этот газ служит строительным материалом для новых звезд, и он же выбрасывается обратно в космос после взрывов сверхновых. Долгое время астрономы предполагали, что галактики окружены обширными газовыми оболочками, но доказать это на практике было крайне сложно. Газ не светится так же ярко, как звезды, и стандартные оптические телескопы его просто не фиксируют.

Недавно научная группа проекта HETDEX (Hobby-Eberly Dark Energy Experiment) опубликовала результаты крупнейшего в истории исследования. Ученые проанализировали данные сканирования большой площади неба и достоверно подтвердили существование более 33 тысяч гигантских водородных структур вокруг галактик ранней Вселенной. Результаты этой работы меняют физическое понимание того, где заканчиваются границы галактик и как именно ученым следует рассчитывать энергию, которую они излучают.

Физика невидимого излучения

Исследование HETDEX сфокусировано на временном периоде, который отстоит от Земли на 10-12 миллиардов лет. В астрофизике это время называется «Космическим полуднем» — эпохой, когда во Вселенной происходили самые активные процессы звездообразования и роста сверхмассивных черных дыр.

Галактики того времени производили очень большое количество ультрафиолетового излучения. Чтобы понять, как астрономы сегодня могут видеть это излучение и газ вокруг древних галактик, нужно рассмотреть механику взаимодействия света и материи.

Когда массивная молодая звезда излучает жесткий ультрафиолетовый фотон, этот фотон летит сквозь пространство, пока не сталкивается с атомом нейтрального водорода, находящимся за пределами звездного диска галактики. Атом поглощает энергию фотона, переходит в возбужденное состояние, а затем возвращается в исходное положение, излучая новый фотон. Этот новый фотон имеет строго определенную длину волны и излучается в случайном направлении. В физике этот процесс называется излучением в линии Лайман-альфа.

Свет от миллионов таких столкновений постоянно рассеивается внутри водородного облака, окружающего галактику. В результате само облако начинает слабо светиться. Из-за расширения Вселенной этот ультрафиолетовый свет по мере движения к Земле растягивается, меняет длину волны и переходит в оптический диапазон, который могут зафиксировать наземные приборы.

Слепой метод сканирования неба

Главная проблема наблюдения такого свечения заключается в его низкой интенсивности. Долгие годы астрономы могли находить лишь единичные протяженные газовые облака, и чаще всего это происходило случайно. Инструменты прошлого имели ограничения: они могли либо детально изучать очень маленькие участки неба, либо осматривать широкие области, но без возможности анализировать спектр каждого тусклого объекта.

Проект HETDEX решил эту техническую проблему. Астрономы задействовали 10-метровый телескоп Хобби-Эберли, расположенный в обсерватории МакДоналд в штате Техас. Инженеры подключили к телескопу массив из 78 спектрографов VIRUS. Спектрограф — это прибор, который разбивает поступающий свет на составляющие по длинам волн, позволяя точно определить химический состав объекта и расстояние до него.

Уникальность проекта заключалась в подходе к сбору данных. Телескоп не наводили на заранее выбранные и известные галактики. Вместо этого он проводил слепое сканирование 540 квадратных градусов небесной сферы. Приборы просто фиксировали все световые сигналы на своем пути. Такой подход полностью исключил предвзятость выборки: ученые получили данные о тысячах тусклых и ничем не примечательных галактиках, которые ранее никто не изучал, поскольку они не попадали в каталоги ярких объектов.

Двухкомпонентная математическая модель

В ходе сканирования алгоритмы обнаружили почти 80 тысяч галактик-излучателей. Однако получить сигнал — это только половина задачи. Необходимо было доказать, что свет исходит не только от звезд в центре, но и от диффузного водорода вокруг них.

Для этого исследователи применили методы математического моделирования. Компьютерная программа обрабатывала каждую зафиксированную галактику и пыталась описать ее свечение с помощью двух разных моделей. Первая модель предполагала, что весь свет исходит из одной компактной точки (скопления звезд), а небольшое размытие вокруг — это просто искажения от атмосферы Земли и оптики телескопа. Вторая модель была более сложной: она включала яркий центр и дополнительное окружающее облако газа, интенсивность свечения которого постепенно убывает по мере удаления от центра.

Компьютер сравнивал, какая из моделей лучше описывает реальное распределение пикселей на снимках. После строгой фильтрации данных у ученых осталась база из 70 691 надежного источника. Анализ показал, что почти в половине случаев (для 33 612 объектов) вторая модель подходит значительно лучше. Это стало прямым доказательством того, что газовые гало вокруг галактик существуют в массовом порядке.

Неучтенная масса и потерянная энергия

Размеры найденных водородных структур оказались очень большими. Расстояние, на котором свечение гало падает до минимальных значений, в среднем составляет около 11,6 килопарсека от центра галактики. В 152 случаях астрономы зафиксировали структуры радиусом более 50 килопарсеков. Для понимания масштабов: весь звездный диск нашего Млечного Пути имеет радиус около 15-20 килопарсеков.

При этом, когда ученые совместили свои карты водородного свечения со снимками тех же участков неба, сделанными в оптическом диапазоне, они обнаружили, что звездные центры этих галактик выглядят очень тусклыми, а в некоторых случаях оптические телескопы вообще не видят материнскую галактику.

Обнаружение такого количества светящегося водорода указало на серьезную ошибку в астрономических вычислениях прошлого. Поскольку старые компьютерные алгоритмы были настроены на поиск компактных точек света, они игнорировали слабое свечение на периферии. Измерив количество света, исходящего от самого гало, исследователи HETDEX установили: традиционные методы занижали общее количество ультрафиолетового света от древних галактик в среднем на 30%.

Это означает, что почти треть всей световой энергии, излучаемой галактиками ранней Вселенной в линии Лайман-альфа, оставалась неучтенной астрономами. Этот факт потребует пересмотра текущих моделей, описывающих общую энергию Вселенной и скорость, с которой галактики теряли свою массу.

Проблема источников излучения

До публикации результатов HETDEX в научном сообществе доминировала другая теория о происхождении огромных водородных облаков. Ранее ученые чаще всего находили их вокруг квазаров — объектов со сверхмассивными черными дырами в центре, которые активно поглощают материю и выбрасывают мощнейшие потоки излучения. Считалось, что только огромная энергия черной дыры способна подсветить межгалактический газ на площади в десятки килопарсеков.

Новые данные полностью опровергают эту теорию. Чтобы проверить наличие черных дыр, ученые сопоставили каталог HETDEX с данными радиотелескопов (в частности, европейской сети LOFAR). Активные сверхмассивные черные дыры часто излучают сильный радиосигнал.

Анализ показал, что лишь 12% из более чем 33 тысяч обнаруженных гало имеют признаки наличия активной сверхмассивной черной дыры. В подавляющем большинстве случаев (оставшиеся 88%) источником жесткого ультрафиолета, который заставляет светиться водород, выступают обычные молодые звезды. Их совокупного излучения оказывается вполне достаточно, чтобы преодолеть сопротивление пыли внутри самой галактики и передать энергию атомам водорода в глубоком космосе.

Каталог HETDEX, который теперь выложен в открытый доступ для астрофизиков всего мира, меняет базовое представление об эволюции вещества во Вселенной. Гигантские водородные оболочки больше нельзя считать редкой аномалией, связанной с воздействием сверхмассивных черных дыр. Это нормальное физическое состояние большинства галактик на этапе их активного формирования, а звездные системы — лишь малая часть реального физического объема древних объектов.

Источник:The Astrophysical Journal