Dzięki wykorzystaniu danych z instrumentu MUSE naukowcom z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) udało się wykryć niezwykle słabe mgławice planetarne w odległych galaktykach. Zastosowana metoda, algorytm filtrujący w przetwarzaniu danych obrazowych, otwiera nowe możliwości pomiaru odległości kosmicznych – a tym samym wyznaczania stałej Hubble’a.
Mgławice planetarne w sąsiedztwie Słońca znane są jako kolorowe obiekty, które pojawiają się pod koniec życia gwiazdy, gdy przechodzi ona ze stadium czerwonego olbrzyma do białego karła: gdy gwiazda zużyje paliwo potrzebne do syntezy jądrowej, wydmuchuje swoją gazową otoczkę do przestrzeni międzygwiazdowej, kurczy się, staje się niezwykle gorąca i pobudza rozszerzającą się otoczkę gazową do świecenia. W przeciwieństwie do ciągłego widma gwiazdy jony niektórych pierwiastków w tej gazowej otoczce takich jak wodór, tlen, hel i neon emitują światło tylko w określonych długościach fal. Specjalne filtry optyczne dostrojone do tych długości fali mogą sprawić, że słabe mgławice staną się widoczne. Najbliższym tego typu obiektem w naszej Drodze Mlecznej jest Mgławica Ślimak odległa o 650 lat świetlnych.
Wraz ze wzrostem odległości od mgławicy planetarnej jej pozorna średnica na obrazie maleje, a zintegrowana jasność pozorna maleje z kwadratem odległości. W naszej sąsiedniej galaktyce, Galaktyce Andromedy znajdującej się w odległości prawie 4000 razy większej, Mgławica Ślimak byłaby widoczna jedynie jako kropka, a jej jasność pozorna byłaby prawie 15 mln razy mniejsza. Dzięki nowoczesnym, dużym teleskopom i długim czasom naświetlania takie obiekty mogą być mimo wszystko obrazowane i mierzone przy użyciu filtrów optycznych lub spektroskopii obrazowej. Martin Roth, pierwszy autor nowych badań, mówi: Używając spektrofotometru PMAS (Potsdam MultiAperture Spectrophotometer) udało nam się to po raz pierwszy zrobić za pomocą spektroskopii integralnego pola dla kilku mgławic planetarnych w Galaktyce Andromedy w latach 2001–2002 na 3,5-metrowym teleskopie Obserwatorium Calar Alto. Jednak stosunkowo małe pole widzenia PMAS nie pozwoliło jeszcze na zbadanie większej próbki obiektów.
Potrzeba było dobrych 20 lat, aby te pierwsze eksperymenty rozwinąć dalej i zastosować potężniejszy instrument o ponad 50-krotnie większym polu widzenia na znacznie większym teleskopie. MUSE na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Chile został opracowany przede wszystkim z myślą o odkrywaniu niezwykle słabych obiektów na obserwowalnych obecnie krawędziach Wszechświata. Właśnie ta właściwość odgrywa rolę również przy wykrywaniu bardzo słabych mgławic planetarnych w odległych galaktykach.
Galaktyka NGC 474 jest szczególnie dobrym przykładem galaktyki, która w wyniku zderzenia z innymi, mniejszymi galaktykami, utworzyła widoczną strukturę pierścieniową z gwiazd rozproszonych w wyniku oddziaływań grawitacyjnych. Znajduje się ona w odległości 110 mln lat świetlnych, czyli około 170 000 razy dalej niż Mgławica Ślimak. Pozorna jasność mgławicy planetarnej w tej galaktyce jest zatem prawie 30 mld razy mniejsza niż w przypadku Mgławicy Ślimak i znajduje się w zakresie galaktyk interesujących pod względem kosmologicznym, dla których zespół zaprojektował instrument MUSE.
Zespół naukowców z AIP wraz z kolegami z USA opracował metodę wykorzystania MUSE do wyodrębnienia i precyzyjnego pomiaru niezwykle słabych sygnałów mgławic planetarnych w odległych galaktykach z wysoką czułością. Ważną rolę odgrywa tu szczególnie efektywny algorytm filtrowania w przetwarzaniu danych obrazowych. Dla galaktyki soczewkowatej NGC 474 dostępne były dane archiwalne ESO oparte na dwóch bardzo głębokich ekspozycjach MUSE, z których każda miała 5 godzin czasu obserwacji. Rezultat obróbki danych: po zastosowaniu algorytmu filtrów uwidoczniło się w sumie 15 niezwykle słabych mgławic planetarnych.
Ta wysoce czuła procedura otwiera nową metodę pomiaru odległości, która może przyczynić się do rozwiązania dyskutowanej obecnie rozbieżności w wyznaczaniu stałej Hubble’a. Mgławice planetarne mają tę właściwość, że fizycznie nie może być przekroczona pewna maksymalna jasność. Funkcja rozkładu jasności próbki w galaktyce, czyli funkcja jasności mgławicy planetarnej, urywa się na jasnym końcu. Jest to własność świecy standardowej, która może być wykorzystana do obliczenia odległości metodami statystycznymi. Metoda funkcji jasności mgławicy planetarnej została opracowana już w 1989 roku przez członków zespołu George'a Jacoby'ego (NSF's NOIRLab) i Robina Ciardullo (Penn State University). W ciągu ostatnich 30 lat została z powodzeniem zastosowana do ponad 50 galaktyk, ale była ograniczona przez stosowane do tej pory filtry. Galaktyki o odległościach większych niż te w Gromadach w Pannie czy Piecu były poza zasięgiem. Badanie, opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal, pokazuje, że MUSE może osiągnąć ponad dwukrotnie większy zasięg i umożliwić niezależny pomiar stałej Hubble’a.
Więcej informacji:
- Needle in a haystack: planetary nebulae in distant galaxies
- Toward Precision Cosmology with Improved PNLF Distances Using VLT-MUSEI. Methodology and Tests
Źródło: AIP
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Galaktyka NGC 474 w odległości około 110 mln lat świetlnych. Struktura pierścienia powstała w wyniku procesów łączenia się zderzających się galaktyk. Źródło: DES/DOE/Fermilab/NCSA & CTIO/NOIRLab/NSF/AURA
