Квазары БОССА - Новая эра расширения Вселенной?

Свет от далеких квазаров (красные точки слева) частично поглощается при прохождении облаков водорода. "Лес" из линий поглощения водорода (на врезке) в спектре каждого отдельного квазара показывает положение более плотных облаков газа на луче нашего зрения. Спектры собираются спектрографом - квадрат справа. Доступный для этого диапазон расстояний находится примерно в районе 10 млрд св. лет. Хотя исследование СЛОАН и собирало спектры квазаров некоторое время назад, программа БОСС получает в 10 раз больше данных на квадратный градус, чтобы создать трехмерную карту невидимого нам газа, открывая крупномасштабную структуру ранней Вселенной.

(иллюстрация Зоси Ростомиан и др., Лаборатория Беркли)

Лаборатория Беркли,

12 ноября 2012 года

по мотивам статьи Пола Пройс

БОСС (BOSS - Спектроскопический Обзор Барионных Осцилляций) не занимается разной там мелочью или ерундой. Его цель - картографирование по-настоящему ОГРОМНОГО объема пространства, чтобы понять роль темной энергии в эволюции Вселенной.

БОСС - самая большая программа третьего полного обзора неба СЛОАН (SDSS-III). Только что объявлено о первом большом научном результате этой программы, использовавшей новый метод картографирования (дурное слово, сюда не подходит, в общем, mapping - прим. перев.) на основе 48 тысяч (!!) квазаров с красными смещениями свыше 3.5 - до 11.5 млрд лет в прошлом.

"До этого у нас не было метода исследования темной энергии в ту древнюю эру, когда материя была достаточно плотной для того, чтобы гравитация замедляла расширение  Вселенной, а влияние темной энергии не было таким ощутимым" - говорит руководитель исследований Дэвид Шлегель из Лаборатории Беркли. "В наше время расширение Вселенной ускоряется, поскольку во Вселенной доминирует темная энергия. Самым трудным вопросом современной космологии является то, как темная энергия повлияла на переход от замедления расширения к ускорению."

Два способа измерить расширение Вселенной.

И вот, в рамках программы международного сотрудничества собрались настоящие и бывшие ученые лаборатории Беркли для изучения барионных акустических осцилляций (БАО) - это такая структура вариаций - в распределении галактик в большом масштабе, в распределении еле-заметных облаков межгалактического газа, которые также выявляют распределение совсем уже невидимой темной материи. Различия плотности материи были вызваны первобытными вариациями плотности,  останки которых мы видим в микроволновом фоновом излучении. Это распределение дает нам космическую линейку для калибровки коэффициента расширения там, где можно измерить эти самые БАО.

Используя основные телескопы обзора СЛОАН в обсерватории Апач, Нью-Мексико, БОСС произвели двунаправленное спектроскопическое исследование БАО. Для начала были исследованы обычные яркие галактики с красными смещениями до 0.8, которые находятся где-то около 7 млрд лет в прошлом. Первые результаты обзора включили 300 тысяч галактик, о чем сообщалось в марте этого года. Но для того, чтобы собрать галактики с красными смещениями в очень ранней Вселенной - для исследования БАО - 2.5-метрового телескопа маловато. Поэтому появилась вторая цель- квазары.

"Квазары - самые яркие объекты на небе, это единственный способ измерить спектры с красным смещением 2 и больше." говорит Шлигель. " На таких смещениях галактик по-прежнему в сотни раз больше, чем квазаров, но их яркости недостаточно для исследования БАО".

Квазары слишком разбросаны по небу, чтобы их можно было бы использовать для прямого измерения БАО, но есть другой метод, с помощью которого они открывают БАО на больших красных смещениях. На своем пути к нам луч квазара пронизывает межгалактические облака молекулярного водорода, поэтому его спектр содержит массу линий поглощения водорода, которые называют Лесом Лайман-Альфа (уф, поправьте меня по терминологии, если что). В идеале, каждая линия поглощения в этом "лесу" показывает, что свет квазара прошел через облако молекулярного газа. И, в идеале, красные смещения этих индивидуальных линий показывают смещения отдельных облаков газа в зависимости от расстояния, показывая в то же время, как распределена плотность этих облаков на луче нашего зрения. Иными словами - так мы добавляем в нашу карту БАО третье измерение.

С достаточным количеством квазаров, которые находятся близко к друг другу на нашем небе и покрывают достаточно большой его кусок, представляется возможным измерение распределения облаков газа в трех измерениях. Впервые эта идея была предложена Патриком Макдональдом  - тогда из Канадского Института Теоретической Астрофизики, и Мартином Уайтом, которые сейчас оба работают в Беркли.

"Когда я впервые представил эту идею на конференции космологов в 2003 году, они сочли это безумием" - говорит Уайт, который также является профессором физики и астрономии Университета Калифорнии в Беркли, и заведует одной из команд обзора БОСС. "Девять лет спустя БОСС доказала, что это удивительно мощный метод, который превзошел наши самые смелые ожидания."

Значительно более сложный спектрограф SDSS III, сконструированный в Беркли под руководством Натали Рои дает лучший охват и разрешение, чем его предшественники, но поиск БАО в Лесу Лайман-Альфа  - по-прежнему большая проблема сразу по нескольким причинам. Линии поглощения Лаймана-альфа находятся в ультрафиолетовой части спектра, который поглощается земной атмосферой, поэтому с Земли доступны только те квазары, чье красное смещение имеет только определенное значение. Линии поглощения Лаймана выявляют только нейтральный водород, в то время как большинство водорода во Вселенной ионизовано. Среди других неопределенностей - неравномерное нагревание облаков водорода или слишком близкое положение нескольких квазаров, которое может искажать сигнал.

Для программы БОСС выбраны десятки тысяч квазаров с целью исследования линий Лаймана-альфа. На основе снимков предыдущего обзора СЛОАН и фотометрических наблюдений для них были измерены точные расположения.

"В сравнении с обзорами галактик, поиск БАО в Лесу Лайман-Альфа предлагает большие риски, но и большое вознаграждение" - говорит сотрудник Лаборатории Беркли Николас Росс. Для того, чтобы составить карту, нужны спектры минимум 15-20 квазаров на квадратный градус неба - и значит, БОССу нужно до 10% от всех 2 млн отдельных целей в течение 5 лет наблюдательного времени - только на квазары. Цели выбираются по результатам фотометрических исследований (определение яркости объекта на разных длинах волн), но только после получения спектра объекта команда может быть уверена в том, что из всего этого - реальный квазар, а что - звезда или объект, маскирующийся под квазар. БОССу нужен был этот шанс.

"Нам помогает одна вещь" - говорит Росс - "Если у квазара нужное нам красное смещение, нам не важно, какой у него тип. Чтобы определить, что это квазар, можно использовать данные ультрафиолетвых наблюдений, данные ближнего инфракрасного диапазона - в общем, любой метод, любой трюк - потому, что мы собираемся использовать их только как подсветку для облаков газа. И мы обнаружили, что наши алгоритмы подбора объектов работают".

продолжение следует...