Сто лет назад мы не знали, что за пределами нашей галактики, Млечного Пути, что-то существует. Теперь мы знаем, что наша крошечная планета Земля, как и все остальное, является частью огромной структуры, называемой Космической Паутиной. Ее масштабы трудно осмыслить каким-либо конкретным образом, а сложность и масштабы системы ставят на колени наши самые мощные суперкомпьютеры.
Астрономы уже давно знали о Космической паутине, поскольку они мельком увидели ее. Но новый инструмент дал нам наиболее полное представление об этом.
В этой колоссальной, запутанной паутине галактики соединены огромными газовыми нитями. Эта межгалактическая среда подобна газовой системе вен и артерий, подающей газ из одного региона в другой. Все, что люди делают внутри этой обширной сети, кажется несущественным, но у нас есть одно преимущество: способность видеть и понимать это.
Космический веб-изображитель Кека (KCWI) — это инструмент в обсерватории Кека на острове Маунакеа на Гавайях. Он был разработан Кристофером Мартином, профессором физики Эдварда К. Стоуна в Калифорнийском технологическом институте и директором оптических обсерваторий Калифорнийского технологического института. Мартин также является ведущим автором новой статьи в журнале Nature Astronomy под названием «Обширное диффузное излучение Лайман-альфа, коррелирующее с космической структурой».
«Мы выбрали название Keck Cosmic Web Imager для нашего инструмента, потому что надеялись, что он сможет напрямую обнаруживать космическую паутину», — сказал Мартин. «Я очень рад, что все получилось».
KCWI — это спектрограф, то есть он может измерять свойства света в определенном диапазоне длин волн, для анализа которого он создан. В случае KCWI он видит свет от 350 до 560 нм, в пределах человеческого зрения. Внутри этого диапазона он может видеть так называемые выбросы Лайман-альфа.
Эмиссия Лайман-альфа представляет собой спектральные линии поглощения водорода. Эмиссии создаются при электронных переходах в нейтральном водороде. Поскольку водород является наиболее распространенным и распространенным материалом во Вселенной, наблюдение его электронных переходов является эффективным способом «увидеть» обширную космическую паутину водородных нитей, соединяющих галактики.
Лес Лайман-Альфа является важнейшей концепцией в этом исследовании. Спектральные линии Лайман-альфа от чрезвычайно далеких галактик и квазаров не доходят до нас в своем первозданном виде. К тому времени, когда свет достигает нас, он проходит через множество промежуточных газовых облаков. Облака имеют разное красное смещение, и это влияет на свет, образуя множество линий поглощения, которые астрономы называют лесом Лайман-альфа. Каждая вертикальная линия подобна стволу дерева в лесу. Лес Лайман-Альфа — важный способ исследования космической паутины, и KCWI создан для этого.
Видя лес спектральных линий далекого водорода, он отслеживает газообразные нити водорода, которые преодолевают огромные расстояния во Вселенной.
Водород — вещество звезд. Звезды формируются внутри массивных облаков водорода, называемых молекулярными облаками. Эти облака находятся внутри галактик, но, как показывает новое исследование, водород Вселенной не изолирован внутри галактик. Вместо этого огромные нити холодного темного водорода соединяют галактики и группы галактик вместе.
Крис Мартин, ведущий автор этого нового исследования, был частью команды, которая обнаружила доказательства существования этой обширной сети транспортировки водорода еще в 2015 году. Это исследование представило доказательства существования все еще формирующейся галактики, которая получает поток холодного газообразного водорода из обширной нить. Пока сама галактика вращалась, газ в нити двигался с постоянной скоростью, направляя газ в галактику.
Для этого исследования Мартин и его коллеги работали с предшественником KCWI, CWI. Он был установлен в Паломарской обсерватории, и KCWI представляет собой улучшенную версию CWI. Во время открытия 2015 года газ в воронке был освещен квазаром, и его было легче наблюдать.
Но большая часть газа в космической паутине Вселенной холодная и темная. И KCWI может видеть этот темный газ там, где его предшественник не может.
«До этого последнего открытия мы видели нитевидные структуры под фонарным столбом», — говорит Мартин. «Теперь мы можем видеть их без лампы».
Космическая Паутина не выскакивает из данных и не появляется. Требуется некоторое астрофизическое расследование, чтобы отфильтровать это из данных. Свет водорода можно спутать со светом других источников. Но Мартин придумал способ справиться с этим.
«Мы смотрим на два разных участка неба, A и B. Нити в этих участках будут находиться на разных расстояниях в двух направлениях, поэтому вы можете взять фоновый свет из изображения B и вычесть его из A, и наоборот. оставляя только структуры. Я провел детальное моделирование этого в 2019 году, чтобы убедиться, что этот метод будет работать», — говорит он.
Одна из главных целей космологии и астрофизики — понять, как формируются и развиваются галактики. Мощный и дорогой JWST был построен с учетом нескольких основных научных целей, и понимание формирования и эволюции галактик было одной из них. Это говорит о том, какое большое внимание сообщество космических ученых уделяет галактикам. Эти результаты KCWI вносят важный вклад в исследование, показывая, как водород движется во Вселенной.
Но наблюдения KCWI также способствуют достижению еще одной основной цели космической науки: понимания темной материи.
Темная материя, конечно, является преобладающим типом материи во Вселенной. Обычная материя, называемая барионной материей, составляет лишь небольшой процент материи Вселенной. Все, что мы можем видеть и с чем взаимодействовать, включая наши собственные тела, состоит из обычной барионной материи. Но мы на самом деле не поймем Вселенную, если не поймем темную материю. Само имя является всего лишь заполнителем. Никто не знает, что это такое.
Но, составив его карту, ученые смогут начать понимать, что это такое. Когда Мартин и его коллеги изобразили космическую паутину, они также изобразили распределение обычной барионной материи. И наоборот, они также изобразили темную материю путем вычитания.
«Космическая паутина описывает архитектуру нашей Вселенной», — сказал Мартин. «Здесь находится большая часть нормальной, или барионной, материи в нашей галактике, и она напрямую отслеживает местоположение темной материи».
Спектральные линии, которые видит KCWI, имеют красное смещение в разной степени, в зависимости от расстояния до них. Изображения с разных длин волн, полученные от инструмента, можно складывать вместе, придавая глубину. Это создает трехмерное изображение отдаленного водорода Вселенной или, по сути, космической паутины.
«По сути, мы создаем трехмерную карту космической паутины», — объясняет Мартин. «Мы снимаем спектры для каждой точки изображения в диапазоне длин волн, а длины волн преобразуются в расстояние».
Однако у KCWI есть свои ограничения, и его преемник некоторые из них преодолеет. Наше представление о Космической Паутине будет расширяться и углубляться благодаря этому новому инструменту. Он называется «Картограф космической реионизации Кека» (KCRM).
«Мы очень рады тому, что этот новый инструмент поможет нам узнать о более далеких нитях и эпохе, когда сформировались первые звезды и черные дыры».
Матеуш Матушевский, старший научный сотрудник по приборостроению и соавтор исследования.
KCRM может видеть дальше в красном диапазоне, то есть он может видеть больше света, смещенного в красную сторону. В то время как KCWI охватывает диапазон от 350 до 560 нм, KCRM может видеть от 530 до 1050 нм. Диапазон действия нового инструмента означает, что наше представление о космической паутине скоро улучшится.
В ходе текущего исследования была создана трехмерная карта космической паутины в области космоса на расстоянии от 10 до 12 миллиардов световых лет. Новый инструмент, KCRM, расширит возможности наблюдений KCMI. Ощущая более сильное смещение красного света, он может заглянуть дальше в прошлое.
«Благодаря KCRM, недавно развернутому красному каналу KCWI, мы можем заглянуть еще дальше в прошлое», — говорит старший научный сотрудник и соавтор Матеуш Матушевский. «Мы очень рады тому, что этот новый инструмент поможет нам узнать о более далеких нитях и эпохе, когда сформировались первые звезды и черные дыры».
