Человечество смотрит в звездное небо всегда. И каждому, кто смотрит, хочется знать: как образовалась вся эта таинственная красота, что станет с ней дальше? Чтобы всеобъемлюще ответить на эти и бесконечное число подобных вопросов, недостаточно сведений, которые добывают обычные телескопы. Сегодня в арсенале ученых — более “зоркое”, сложное оборудование. Скажем, ведущий научный сотрудник Специальной астрофизической обсерватории РАН доктор физико-математических наук Алексей МОИСЕЕВ “объемно” изучает стоящую перед ним задачу. Его исследования, поддержанные грантом Президента РФ для молодых ученых, связаны с 3D-спектроскопией ионизированного газа в галактиках.
— Одна из горячих тем современной астрофизики — выяснить, как именно сформировался мир разнообразнейших звездных систем, которые называются галактиками, — вводит в курс темы Алексей Валерьевич. — Как и почему из изначально однородного горячего газа образовались огромные плоские “звездные острова”, украшенные спиральным узором, например наш Млечный путь? Или гигантские эллиптические галактики, множество карликовых систем, богатых газом или практически его лишенных? Общая схема этого процесса для большинства астрономов строится на предположении о существовании до сих пор не найденных частиц темной материи, суммарная масса которых многократно превышает долю “обычного” вещества. Из этих гипотетических частиц образуются первоначальные сгущения (темные гало), собирающие за счет сил гравитации окружающий газ. Газовые облака уплотняются, фрагментируются, в них начинается образование звезд. Понятно, что “набор массы” галактиками может идти разными путями, но, в любом случае, речь идет о взаимодействии с окружением: захвате карликовых спутников, газовых облаков, слиянии со сравнимыми по массе галактиками-компаньонами. Объединяется и газ, и звездное население, и гало темной материи… Идут споры о деталях этого процесса, об эволюции галактик со временем, о том, что и как определяет их нынешний вид. Компьютерные модели сравниваются с тем, что получаем в результате наблюдений. Можно изучать далекие галактики, которые мы благодаря конечной скорости света видим в более ранние эпохи. Но чтобы разглядеть их детально, недостаточно возможностей даже крупнейших наземных и космических телескопов. А можно внимательно приглядеться к окружающим нас более близким галактикам и попытаться найти в них следы, оставленные процессами формирования.
Наши исследования на шестиметровом телескопе САО РАН (Большой телескоп азимутальный — БТА) относятся как раз ко второму пути. Мы изучаем галактики с кинематически выделенными подсистемами, где часть газа или звезд двигается не так, как остальное вещество. Действительно, если когда-то происходил захват спутника или газового облака с иным направлением орбитального момента вращения, чем у основного диска галактики, то некоторое время (иногда речь может идти и о миллиарде лет) захваченная материя будет двигаться по выделенным орбитам, иногда даже вне галактической плоскости. Или возникнет ситуация, когда газ и звезды в диске вращаются в разных направлениях, если один из этих компонентов приобретен извне.
— Для чего нужна 3D-спектро-скопия? Что интересного можно узнать с ее помощью?
— Для того чтобы рассмотреть кинематически выделенные подсистемы, измерить их характеристики, надо точно измерить скорости звезд и газа. Проекцию вектора скорости на луч зрения можно определить по эффекту Доплера — смещению спектральных линий. Чем выше относительная скорость объекта, тем больше этот эффект. Традиционный метод астрономической спектроскопии со щелевым спектрографом здесь не очень удобен, так как в результате мы узнаем распределение скоростей только вдоль узкого разреза. А галактики — это объекты со сложной структурой, измерения вдоль другого направления могут сильно отличаться. На помощь приходят методы панорамной (3D) спектроскопии, позволяющие получить спектры от каждой точки, находящейся в поле зрения. Еще студентом я застал время, когда подобная техника считалась экзотикой. Ныне панорамная спектроскопия входит в арсенал почти любого крупного наземного телескопа. Строятся соответствующие приборы и для космических миссий. И в этой области наш шестиметровый телескоп уже имеет многочисленные заслуги. Один из первых панорамных спектрографов MPFS был создан у нас в обсерватории Виктором Леонидовичем Афанасьевым еще в 1990 году. В нем впервые в мире была реализована идея сочетания блока световодов с растром из микролинз в поле зрения спектрографа. Сейчас такая схема широко распространена, а сам Виктор Леонидович работает уже над четвертым поколением 3D-спектрографов для БТА.
Еще мы активно используем сканирующий интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Метод классический, в астрономических наблюдениях применялся еще столетие назад. Но использование современных цифровых приемников в сочетании со специальной методикой обработки интерферограмм позволяет добиваться впечатляющих результатов. Глядя на картинку, представляющую пример наблюдения с ИФП, легко понять, почему такой материал называют “кубами данных”, а саму спектроскопию — трехмерной. Две координаты — пространственные, в картинной плоскости, а третья — спектральная. Сам “куб данных” можно представить как набор изображений в очень узком диапазоне длин волн. Если смотреть на куб со стороны наблюдателя, то в каждом пикселе изображения — индивидуальный спектр. Иногда такую методику называют “спектральной томографией”. Объем данных велик, но он позволяет в деталях разобраться, как именно движется ионизованный газ в галактиках.
— Расскажите о проблеме, которую собираетесь решить.
— Мы изучаем различные проявления взаимодействия галактик с их окружением. Слияния больших, сравнимых по массе объектов хорошо заметны, но сейчас ясно, что не они определяли эволюцию галактик, во всяком случае, последние 5-8 миллиардов лет. Основная масса приобретенного вещества должна приходиться на “малые слияния” (с карликовыми спутниками) или на захват материи из протяженных газовых филаментов (тонкие, вытянутые в длину, подобно нитям, образования). Их существование предсказывается в космологических моделях формирования структур во Вселенной. Есть и косвенные наблюдательные указания на то, что галактики должны приобретать внешний газ. Нам интересно поймать прямые следы процесса такого набора массы. Это непросто, так как в своем большинстве галактики — хорошо “перемешанные” (динамически отрелаксировавшие) системы. Но возможны редкие случаи пекулярных, то есть выбивающихся из общего ряда, галактик. И это как раз относится к изучаемым нами кинематически выделенным компонентам. Если вещество захватывалось в плоскости, примерно перпендикулярной уже сформировавшемуся диску галактики, то такие орбиты оказываются устойчивыми. Звезды и газовые облака смогут миллиарды лет двигаться таким “нестандартным” путем, а астрономы назовут получившийся объект галактикой с полярным кольцом.
Если тщательно измерить их скорость вращения и сравнить с тем, как вращается основной диск галактики, то можно даже понять, какой формой обладает гало темного вещества, сплюснуто оно или вытянуто. Для такой работы надо собрать большой массив данных — изображения в оптических лучах, измерения лучевых скоростей методом 3D-спектроскопии и наблюдения с радиотелескопов. А затем сопоставить с результатами численных расчетов. Год назад ваша газета уже писала о том, как мы смогли “увидеть невидимое” и измерить форму темного гало в двух галактиках (“Поиск” №41, 2014). Мы собираемся продолжать такие исследования, выполняя новые наблюдения и совершенствуясь в их интерпретации.
— В чем особенность ваших исследований? Позволяют ли они проверить различные теории происхождения галактических объектов?
— Серьезная проблема внегалактической астрономии в отличие, скажем, от исследований Солнечной системы состоит в невозможности рассмотреть изучаемые объекты в объеме, со всех сторон. Наблюдаются лишь проекции трехмерных галактик: их изображения, скорости по лучу зрения. Однако, измерив методом 3D-спектроскопии распределение по всему изображению лучевых скоростей ионизованного газа и звезд, мы, используя ряд модельных предположений, можем воссоздать всю пространственную картину движения вещества. Найти отличия от простого кругового вращения, выделить пекулярные компоненты в кинематике и сделать выводы об их происхождении и связи с эволюцией конкретной галактики.
Получаемые на нашем телескопе БТА со сканирующим ИФП данные по ряду характеристик считаются уникальными, недоступными другим наблюдательным группам в мире, использующим даже более крупные телескопы. Это одна из причин, почему с нами активно сотрудничают зарубежные коллеги. В этом году у нас вышла совместная статья с американскими астрономами, где мы исследуем еще один интересный аспект захвата газовых облаков галактиками. Сейчас уже практически доказано, что в центрах галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Иногда, если туда падает достаточно много окружающего вещества, его нагрев порождает мощный поток электромагнитного излучения. Подобное активное ядро может ионизовать газ на очень больших расстояниях, за галактической периферией. На изображениях, полученных на космическом телескопе “Хаббл”, мы детально рассмотрели особенности расположения таких газовых облаков. А наблюдая их одновременно на шестиметровом телескопе, измерили лучевые скорости газа и сделали вывод о его “внешнем” происхождении. Кроме того, наблюдая воздействие излучения на этот удаленный газовый экран и учитывая конечность скорости света, можно понять, как менялась активность ядра со временем. Нашей совместной работе посвящен отдельный пресс-релиз Института космического телескопа: (http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/13/full/).
— У вас случались любопытные эпизоды в научной практике?
— Забавно, но для современных исследований пекулярных галактик удается использовать такие инструменты, как интернет-голосования и тематические форумы. Несколько лет назад был создан проект “Зоопарк галактик” (Galaxy Zoo, http://www.galaxyzoo.org), где любой желающий может поучаствовать в классификации цифровых изображений галактик. Разумеется, один человек может сильно ошибиться, но когда одну и ту же работу повторяет множество волонтеров, то по среднему результату можно заключить, спиральная ли галактика, эллиптическая или вообще ни на что ранее известное не похожая.
Наиболее продвинутые любители астрономии обсуждают на форумах проекта заинтересовавшие их картинки. Зарегистрировавшись на таком форуме, моя студентка смогла собрать хорошую коллекцию не известных ранее кандидатов в галактики с полярными кольцами. Отталкиваясь от собранного материала, мы просмотрели еще более 40 тысяч изображений, которые волонтеры проекта отмечали как “непонятные”. В результате удалось составить самый большой на сегодня каталог таких пекулярных галактик. Их дальнейшее детальное исследование выполняется и нами на БТА, и другими астрономами на различных оптических и радиотелескопах.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено
А.Моисеевым
Нет комментариев