Ученые используют квазары для исследования темной энергии

BOSS, или прибор для спектроскопического обзора барионной осцилляции, фиксирует огромный простор для измерения роли темной энергии в эволюции Вселенной. BOSS — это крупнейшая программа Третьего Слоановского цифрового обзора неба (SDSS-III) и его команда уже анонсировала о первом важном результате технологии фиксации, основанной на спектрах более 48 000 квазаров со смещением в красный спектр до 3,5, что означает, что свет покинул эти активные галактики до 11,5 миллиардов лет назад.

«До сих пор ни одна другая технология исследования темной энергии не могла измерить такую древнюю эпоху — время, когда материя была еще достаточно плотная для того, чтобы гравитация могла сделать медленнее экспансию Вселенной, а влияние темной энергии еще не ощущалось», — говорит главный исследователь BOSS Дэвид Шлегель , астрофизик из Отделения физики Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли американского Министерства Энергетики. «В наше время расширение Вселенной становится все быстрее, поскольку в нем царит темная энергия. Как именно темная энергия повлияла на переход от замедления к ускорению, остается одним из крупнейших вопросов космологии ».

BOSS изучает темную энергию, фиксируя акустические барионные осцилляции (ВАО) — крупномасштабную сеть в изменении распределения видимых галактик и трудных для распознавания облаков межгалактического газа, которые также разоблачают невидимую темную материю. Регулярные расстояния между пиками в плотности вещества возникли из начальной неоднородности плотности, остатки которые мы видим в фоновой космической микроволновой радиации. Такие промежутки являются своеобразной космической линейкой, по которой измеряется скорость распространения, если есть возможность измерить ВАО.

Используя Телескоп Фонда Слоуна (Sloan Foundation Telescope) с обсерватории Апачи-Пойнт в Нью-Мехико, BOSS провел двустороннее спектроскопическое исследование ВАО. Главной задачей было следить за обычными яркими галактиками, смещение в красный спектр которых не превышает 0,8, то есть примерно в семи миллиардах лет от нас, первые результаты такого наблюдения, куда входили более 300 000 галактик были анонсированы в марте 2012 года. Однако собрать достаточно галактик с достаточно высоким смещением в красный спектр, чтобы измерить ВАО наиболее молодой Вселенной с помощью 2,5-метрового телескопа невозможно. Поэтому в BOSS была и вторая цель: квазары.

«Квазары — это самые яркие небесные тела, и поэтому это — единственный достоверный способ измерить смещение в красный спектр величине в 2,0 и выше, — говорит Шлегель. — В таких смещениях в красный спектр галактик в сотни раз больше квазара, однако они слишком тусклые для ВАО ».

Квазаров слишком мало, чтобы измерить непосредственно ВАО, однако есть и другой способ, которым они показывают ВАО с высоким красным смещением. Когда свет от квазаров проходит сквозь облака межгалактического газа на пути к Земле, его спектр создает множество линий поглощения водорода, известных как Лайман-альфа лес. В идеале, каждая линия поглощения в «лесу» показывает, где именно свет от квазара прошел сквозь газовое облако. Как свет фонариков в тумане, различные выступления и красные смещения отдельных линий поглощения в едином спектре квазара показывают, как на расстоянии изменяется плотность газа вдоль линии зрения.

Имея достаточно квазаров, достаточно близких и таких, которые покрывают большую часть небосвода, можно зарисовать в трех измерениях распространения газовых облаков, которые находятся между ними и Землей. Эту идею в начале 2000х выдвинул Патрик МакДональд, который тогда был в Канадском институте теоретической астрофизики, и Мартин Уайт. Сейчас оба ученых работают в лаборатории Беркли.

«Когда я представил эту идею на конференции космологов в 2003 году, они подумали, что я сошел с ума», — говорит Уайт, который также работает профессором физики и астрономии в Калифорнийском университете в Беркли и возглавляет  команды научного поиска BOSS. «Девять лет спустя BOSS показал, что это очень мощная технология. Она превышает наши самые смелые мечты ».

Гораздо более сложный спектрограф SDSS-III, созданием которого руководил Натали Роэ из Лаборатории Беркли, дает лучшее покрытие и разрешение, чем предыдущие приборы наблюдения, однако поиск ВАО в Лайман-альфа лесу остается достаточно рискованным по разным причинам. Линии поглощения Лайман-альфа происходят в ультрафиолетовой части спектра, которую поглощает атмосфера нашей планеты; поэтому с земли только от квазаров со смещением в красный спектр можно получить достаточное количество данных для анализа. Линии показывают только нейтральный водород, а большинство водорода во Вселенной находится в ионизированном состоянии. Есть и другие ненадежные факторы — нерегулярный нагрева облаков водорода или много квазаров слишком близко друг к другу — которые могут плохо повлиять на кластеризацию сигнала.

«Если сравнивать с наблюдениями за галактиками, то искать ВАО в Лайман-альфа лесу интересно — риск велик, но и вознаграждение тоже большое», — говорит сотрудник Лаборатории Беркли Николас Росс, который руководит командой по выбору целей. Для того, чтобы поймать достаточно спектров квазаров для кластеризации карты — минимум от 15 до 20 квазаров на квадратный градус неба-BOSS вынужден был обработать 10 процентов из двух миллионов отдельных целей в течение своего пятилетнего поиска потенциальных квазаров. Цели выбирались из фотометрических данных (яркость объекта в разных цветах), однако лишь после того, как спектр фиксировался, команда могла убедиться, какие из целей на самом деле были квазарами, а какие — звездами или другими объектами, похожими на квазары. И BOSS рискнул.

«Кое-что было в нашу пользу, — говорит Росс. — Неважно, какой именно это был тип квазара, если только у него был вылазкою сдвиг в красный спектр. Для идентификации мы использовать данные наблюдений в ультрафиолетовых лучах и ближней части инфракрасного диапазона — любой метод или способ — поскольку мы использовали их лишь как подсветку для измерения внутренних облаков газа. В конечном итоге мы обнаружили, что все алгоритмы выбора хорошо сработали ».

В поисках сигнала

Первоначальный результат Лайман-альфа — первая карта ВАО на очень ранней стадии эволюции Вселенной — основывается только на треть объема пространства, проработает BOSS; туда входят 60 369 квазаров, подтвержденных визуальной проверкой их спектра. Однако для упрощения поисков ВАО, многие из них были отвергнуты.

«Для того, чтобы из данных выделить ВАО, нам пришлось отказаться от находок, которые искажают искомый сигнал», — говорит сотрудник Лаборатории Беркли Билл Каритерс. Одним из типов таких квазаров были линейные квазары с широким поглощением, чей спектр разбавлен чрезвычайно скоростным газом из активного центра квазара. Другой тип — квазары, чей спектр «забивал каналы Лайман-альфа», что, по словам Картерса, бывает, «когда свет от квазара проходит через очень, очень большое скопление газа — такое большое, что леса не видно».

Когда отвергли неподходящие спектры, для BOSS осталось лишь 48 129 квазаров. В мае 2011 года команда, которую возглавил Анжей Слосар с Брукгейвенськои национальной лаборатории, в прошлом сотрудник Лаборатории Беркли, продемонстрировала практичность измерения переменной толщины межгалактического газообразного водорода на космических расстояниях, используя лишь 14 000 квазаров BOSS — со слов Слосара, это обилие «чтобы установить доказательство концепции ».

«Мы не используем какую-то специфическую информацию по одной линии, мы делаем корреляцию, исходя из многих, — говорит Каритерс. — BOSS сделал это первым, поскольку у нас достаточно квазаров; если их недостаточно, то и сам рисунок Вы не увидите».

Кроме помощи с конвертацией сырых данных от телескопа в полезную научную информацию, сотрудник Лаборатории Беркли Стефан Бейли был обязан создавать имитацию совокупностей данных — их называли «модельными» — чтобы убедиться, что анализ надежный.

«Такие модели очень важны, если вы пытаетесь измерить что-то, что никогда до этого не измерялось, — говорит Бейли. — Мы знаем, где находятся настоящие квазары и мы знаем, что такое физика газа, однако мы не знаем, где находится газ. Наши имитации основывались на позициях и оползнях в красный спектр настоящих квазаров, однако спектр был смоделирован и давал разное распространения газа. Если бы мы могли увидеть имитируемое распространение в одном анализе, то должны увидеть его во всех ».

Наконец, после обработки данных и создания модельных спектров на кластере компьютеров Riemann Linux, предоставленных Технической группой высокопроизводительных вычислений (High-Performance Computing Services Group) из Лаборатории Беркли, все конкурирующие анализы более 48 000 квазаров Лайман-альфа лес дали схожие результаты .

Аналитические технологии, используемые в данном докладе, разработал Андре Фонт-Рибера и его сотрудники из Французской группы BOSS. Когда их применили к настоящему спектра квазара, то они выдали изображения распространение плотности, которое, по словам Бейли, «впервые дает нам возможность посмотреть на ВАО в до сих пор скрытой области».

Шлегель говорит: «Не существует иного достоверного способа измерить ВАО в смещениях в красный спектр более двух. Пять лет назад это было рискованно, но другого варианта не было. Мы могли провалиться множество раз, но природа оказалась снисходительной к нам ».

Уайт говорит: «Мы смотрим в прошлое, во Вселенную, в котором господствовала материя, когда расширение замедлялось и темную энергию было трудно различить. Переход от медленного расширения к ускоренному был достаточно резким, и сейчас мы живем во Вселенной, в которой царит темная материя. Самый большой вопрос: почему именно сейчас? «

04.05.2015

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий