Новые горизонты измеряют, насколько темной может стать вселенная

Результаты соответствуют теории, но ключевым моментом было понимание того, насколько запылена галактика.

Галактические перистые облака, подобные этим, из которых состоит объект Мандель-Уилсон 1 (MW1), представляют собой тонкие завитки газа, которые лежат за пределами плоскости нашей галактики. Они освещены не отдельной звездой, а общим свечением галактики Млечный Путь. Понимание масштабов галактического перистого облака оказалось критически важным для точного измерения космического оптического фона

Каким бы черным ни казался космос, даже в самом темном уголке Вселенной бывает свет. Измерение этого крошечного мерцания, называемого космическим оптическим фоном (COB), проливает свет на энергетический баланс всей Вселенной, один из святых граалей космологии.

Благодаря последним данным, собранным космическим аппаратом New Horizons, который сейчас находится в 57 раз дальше от Солнца, чем Земля, астрономы полагают, что они наконец-то определили величину COB. Это не что иное, как совокупный свет сотен миллиардов галактик, образовавшихся с начала времен.

Если бы вы могли уловить этот свет, исходящий со всех сторон в глубочайшем космосе, и поместить его в бутылку, он светился бы не ярче светлячка на расстоянии 3 футов (1 метр).

Это соответствует тому, что предсказывает теория, но это большое облегчение для команды астрономов, чье предыдущее исследование предполагало таинственный источник света, который никто не рассматривал. По сравнению с предполагаемой суммой всего света, генерируемого галактиками, их исследование 2021 года было отклонено в два раза.

“В нашей предыдущей статье, ” говорит ведущий автор Марк Постман из Научного института космического телескопа в Балтиморе, - мы обнаружили, что света, который мы не могли объяснить, было столько же, сколько света, который мы могли измерить. Настоящая ‘загвоздка’ заключалась в том, что мы просто не были так хорошо знакомы с распределением пыли в Млечном Пути, как следовало бы ”.

Насколько темным может стать космос?

Измерить, насколько темным является космос, звучит просто, но сделать это точно довольно сложно. Для начала, это невозможно сделать из внутренней части Солнечной системы из-за явления, знакомого звездочетам: зодиакального света. На Земле это проявляется в виде пирамидального клина света в предрассветном небе, вызванного облаком пылевых частиц, которые вращаются вокруг Солнца и рассеивают его свет.

Зодиакальный свет запечатлен на этом снимке над обсерваторией Ла Силла в Чили в сентябре 2009 года

Чтобы избежать этого естественного источника света, исследователи обратились к New Horizons, космическому аппарату, который совершил первый в истории облет Плутона в 2015 году. Хотя его приборы никогда не были предназначены для измерения COB, исследователи поняли, что могут воспользоваться расположением аппарата далеко в поясе Койпера, где он эффективно защищен от зодиакального света.

Команда опубликовала первоначальные результаты в 2021 году, используя наблюдения из архивов New Horizons, где аппарат случайно направил свою камеру за пределы диска Млечного Пути, в сторону его полюсов. Выбирая эти поля, команда намеревалась избежать попадания пыли в галактику. Но их анализ показал, что COB оказался ярче, чем ожидалось, что указывает на какой-то необъяснимый космический компонент.

Для исследования команда затем провела новые наблюдения с помощью прибора дальней разведки New Horizons (LORRI), чтобы создать более полный обзор COB, который в конечном итоге включал 23 поля зрения. Команде пришлось позаботиться о том, чтобы расположить LORRI подальше как от Солнца, так и от светящегося внутреннего диска Млечного Пути, а также от ярких близлежащих звезд.

Важно отметить, что это более широкое исследование позволило команде использовать карту галактической пыли, составленную миссией Европейского космического агентства "Планк". Хотя эти данные были получены в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн, команда смогла сравнить их со своими обзорными данными и оценить, как эти пылевые облака будут рассеивать оптический свет, и скорректировать его на изображениях COB. Этот подход был недоступен команде еще в 2021 году, когда у них было меньше данных для работы.

Результаты показали, что команда изначально недооценила количество света, рассеянного пылью в Млечном Пути, и переоценила интенсивность COB. Ранее необъяснимая яркость “на самом деле была настоящей галактической пылью, которая оказалась на очень высоких галактических широтах”, - говорит Постман.

Инфракрасные перистые облака являются основным источником этого света. Эти пыльные галактические нитевидные структуры излучают в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн, но также рассеивают оптический свет. “Это очень подходящее название, потому что оно похоже на перистые облака в нашей атмосфере”, - говорит соавтор Тод Лауэр из Национальной лаборатории оптических инфракрасных астрономических исследований в Тусоне. В то время как перистые облака на Земле рассеивают солнечный свет, галактические перистые облака рассеивают свет звезд в нашей галактике — даже когда источник находится далеко от самих облаков. Поскольку эти высокоширотные облака лежат за пределами Млечного Пути и отражают свет от общего свечения галактики, астрономы-любители часто называют их туманностями с интегрированным потоком.

Теперь, когда был учтен вклад галактического перистого облака, “я думаю, мы первые, кто может сказать совершенно ясно, что это просто галактики”, которые производят COB, - говорит Лауэр.

Их измерение COB все еще немного превышает расчетное общее количество всего галактического света. Это оставляет некоторое пространство для маневра, которое потенциально может вместить будущие открытия источников света. Но самое простое объяснение, как выразился Постман, заключается в том, что “то, что мы видим, когда смотрим на космический оптический фон, представляет собой сумму всего света, полученного за всю историю звездообразования во всей вселенной”.

Остальной спектр

Помимо оптического излучения, астрономы также стремятся измерить остальной электромагнитный спектр (ЭМ), чтобы понять полный энергетический баланс Вселенной. Самый надежный способ - суммирование радио-, инфракрасных, оптических, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.

Самым ранним подобным открытием был космический микроволновый фон (CMB) - и это была полная случайность. В 1965 году два радиоастронома из Нью-Джерси настраивали микроволновую антенну для улавливания радиосигналов, передаваемых из одной точки Земли в другую, когда они улавливали постоянный избыточный шум, исходящий со всех сторон.

Арно Пензиас и Роберт Уилсон наткнулись на нечто большое — настолько большое, что в конечном итоге это было названо Большим взрывом. Это свет, который приходил к нам до того, как появились какие-либо галактики, какие-либо звезды или какие-либо черные дыры. Постман называет это остывающими угольками Большого взрыва.

В течение 50 лет астрономы безуспешно пытались измерить ее оптический эквивалент. Потребовалось, чтобы New Horizons — небольшой космический корабль с 8-дюймовым телескопом и маленькой черно-белой камерой - пролетел мимо самых дальних уголков нашей солнечной системы, чтобы, наконец, получить ответ.

Космический корабль New Horizons пролетел мимо Плутона в 2015 году. Совсем недавно команда астрономов использовала свои инструменты для измерения космического оптического фона, надеясь выяснить общую яркость Вселенной

Следующий большой электромагнитный диапазон, который нужно определить после оптического, - инфракрасный, но по-прежнему считается, что львиная доля энергии находится в реликтовом излучении. Несмотря на то, что это фотоны с низкой энергией, их количество составляет большую общую энергию. После режима радиосвязи наиболее энергичный электромагнитный диапазон - оптический, и благодаря недавнему исследованию Постмана астрономы на шаг приблизились к пониманию могущества Вселенной.

“Это был процесс обучения, ” говорит Постман, - но, в конце концов, это привело к самому значительному обнаружению космического оптического фона, которое когда-либо было сделано”.