Объект Гамильтона — двойная галактика вводит в заблуждение астрономов Хаббла

Но космический телескоп НАСА Хаббл обнаружил пару идентичных объектов, которые выглядят настолько странно, что астрономам потребовалось несколько лет, чтобы определить, что они из себя представляют.

Этот снимок космического телескопа Хаббл показывает три увеличенных изображения далекой галактики, заключенной в скопление галактик. Эти изображения создаются с помощью уловки природы, называемой гравитационным линзированием. Огромная гравитация скопления галактик увеличивает и искажает свет от далекой галактики позади него, создавая множественные изображения. Скопление галактик, внесенное в каталог как SDSS J223010.47-081017.8, находится в 7 миллиардах световых лет от Земли. Хаббл наблюдал множество галактик с гравитационной линзой. Однако изображения на этом снимке телескопа Хаббла уникальны….

«Мы были действительно в тупике», — сказал астроном Тимоти Гамильтон из Университета штата Шони в Портсмуте, штат Огайо.

Странные объекты состоят из пары выпуклостей галактик (центральный звездный центр галактики) и по крайней мере трех почти параллельных разделенных полос. Гамильтон заметил их случайно, когда использовал Хаббл для обзора коллекции квазаров, пылающих ядер активных галактик. Погоня за тупиковыми теориями, попросив помощи у коллег и много ломая голову, Гамильтон и растущая команда во главе с Ричардом Гриффитсом из Гавайского университета в Хило, наконец, собрали все ключи к разгадке тайны.

Линейные объекты представляли собой растянутые изображения далекой галактики с гравитационной линзой, находящейся на расстоянии более 11 миллиардов световых лет от нас. И они оказались зеркальным отображением друг друга.

Команда обнаружила, что огромная гравитация промежуточного и не каталогизированного скопления галактик на переднем плане искривляла пространство, увеличивая, осветляя и растягивая изображение далекой галактики позади него — явление, называемое гравитационным линзированием. Хотя обзоры телескопа Хаббла выявляют множество искажений зеркального отражения, вызванных гравитационным линзированием, этот объект вызывает недоумение.

В этом случае точное выравнивание между галактикой на заднем плане и скоплением галактик на переднем плане дает двойные увеличенные копии одного и того же изображения удаленной галактики. Это редкое явление происходит из-за того, что фоновая галактика колеблется в ткани космоса. Эта «рябь» — область наибольшего увеличения, вызванная гравитацией плотных количеств темной материи, невидимого клея, составляющего большую часть массы Вселенной. Когда свет от далекой галактики проходит через скопление по этой ряби, создаются два зеркальных изображения, а также третье изображение, которое можно увидеть сбоку.

Гриффитс сравнивает этот эффект с яркими волнистыми узорами на дне бассейна. «Подумайте о волнистой поверхности бассейна в солнечный день, демонстрирующей узоры яркого света на дне бассейна», — объяснил он. «Эти яркие узоры на дне вызваны эффектом, аналогичным эффекту гравитационного линзирования. Волны на поверхности действуют как частичные линзы и фокусируют солнечный свет в яркие волнистые узоры на дне ».

В далекой галактике с гравитационной линзой рябь сильно усиливает и искажает свет от фоновой галактики, проходящей через скопление. Рябь действует как несовершенное кривое зеркало, которое создает двойные копии.

Разгадывая тайну

Но это редкое явление не было хорошо известно, когда Гамильтон заметил странные линейные особенности в 2013 году. Когда он просматривал изображения квазара, выделялись снимки зеркальных изображений и параллельных полос. Гамильтон никогда раньше не видел ничего подобного, как и другие члены команды.

«Моей первой мыслью было, что, возможно, это взаимодействующие галактики с приливно вытянутыми рукавами», — сказал Гамильтон. «Это не очень подходило, но я не знал, что еще думать».

Итак, Гамильтон и команда начали поиски разгадки тайны этих соблазнительных прямых линий, позже названных Объектом Гамильтона для его первооткрывателя. Они показали это странное изображение коллегам на астрономических конференциях, что вызвало самые разные отклики, от космических струн до планетарных туманностей.

Но затем Гриффитс, который не был членом первоначальной команды, предложил наиболее правдоподобное объяснение, когда Гамильтон показал ему это изображение на встрече НАСА в 2015 году. Это было увеличенное и искаженное изображение, вызванное феноменом линз, аналогичным тем, что видели в телескопе Хаббла. изображения других массивных скоплений галактик, которые усиливают изображения очень далеких галактик. Гриффитс подтвердил эту идею, когда узнал о подобном линейном объекте в одном из исследований глубоких скоплений Хаббла.

Однако перед исследователями все еще оставалась проблема. Они не смогли идентифицировать линзирующий кластер. Обычно астрономы, изучающие скопления галактик, сначала видят скопление переднего плана, которое вызывает линзирование, а затем находят увеличенные изображения далеких галактик внутри скопления. Поиск изображений Sloan Digital Sky Survey показал, что скопление галактик находится в той же области, что и увеличенные изображения, но не обнаружено ни в одном каталогизированном обзоре. Тем не менее, тот факт, что странные изображения находились в центре скопления, дал Гриффитсу понять, что скопление создает линзовые изображения.

Следующим шагом исследователей было определить, находятся ли три изображения с линзами на одинаковом расстоянии и, следовательно, все они являются искаженными портретами одной и той же далекой галактики. Спектроскопические измерения, проведенные обсерваториями Gemini и WM Keck на Гавайях, помогли исследователям сделать это подтверждение, показав, что изображения в линзах были получены от галактики, удаленной от нас на расстояние более 11 миллиардов световых лет.

Удаленная галактика, судя по реконструкции третьего изображения с линзой, представляет собой спираль с перемычкой, видимую с ребра, с продолжающимся комковатым звездообразованием. Примерно одновременно со спектроскопическими наблюдениями Гриффитса и студентов в Хило отдельная группа исследователей в Чикаго определила скопление и измерила расстояние до него, используя данные Слоана. Скопление находится на расстоянии более 7 миллиардов световых лет от нас.

Но, имея очень мало информации о скоплении, команда Гриффитса все еще пыталась интерпретировать эти необычные формы линз. «Эта гравитационная линза сильно отличается от большинства линз, которые ранее исследовались Хабблом, особенно в обзоре скоплений Hubble Frontier Fields», — пояснил Гриффитс. «Не нужно долго смотреть на эти кластеры, чтобы найти много линз. В этом объекте это единственный объектив, который у нас есть. И сначала мы даже не знали о кластере ».

Отображение невидимого

Именно тогда Гриффитс позвонил эксперту по теории гравитационного линзирования Дженни Вагнер из Гейдельбергского университета в Германии. Вагнер изучал похожие объекты и вместе с коллегой Николасом Тессоре, который сейчас работает в Манчестерском университете в Англии, разработал компьютерное программное обеспечение для интерпретации уникальных линз, подобных этому. Их программное обеспечение помогло команде выяснить, как появились все три изображения с линзами. Они пришли к выводу, что темная материя вокруг растянутых изображений должна быть «плавно» распределена в пространстве в малых масштабах.

«Замечательно, что нам нужно всего два зеркальных изображения, чтобы получить масштаб того, насколько комковатой или нет темной материи может быть в этих положениях», — сказал Вагнер. «Здесь мы не используем никаких моделей объективов. Мы просто берем наблюдаемые из нескольких изображений и то, что они могут быть преобразованы друг в друга. Их можно сложить друг в друга нашим методом. Это уже дает нам представление о том, насколько гладкой должна быть темная материя в этих двух положениях ».

Этот результат важен, сказал Гриффитс, потому что астрономы до сих пор не знают, что такое темная материя, спустя почти столетие после ее открытия. «Мы знаем, что это некая форма материи, но понятия не имеем, что такое составляющая частица. Так что мы вообще не знаем, как он себя ведет. Мы просто знаем, что он имеет массу и подвержен действию гравитации. Значение пределов размера для слипания или гладкости состоит в том, что они дают нам некоторые подсказки относительно того, что может быть частица. Чем меньше сгустки темной материи, тем массивнее должны быть частицы ».