Космический поединок: новая модель показывает, что цвет галактики говорит о ее расстоянии

Иллюстрация трехмерного положения галактик на основе данных DESI (т. е. включая расстояния до галактик, определенные с помощью спектроскопического измерения красного смещения). Автор: DESI

Команда Университета Людвига-Максимилиана (LMU) представила модель, позволяющую определить, что цвет галактики говорит о ее расстоянии, чтобы использовать ее для измерения космических структур.

Нашей Вселенной около 13,8 миллиардов лет. За это время мельчайшие первоначальные асимметрии выросли в крупномасштабные структуры, которые мы можем видеть в наши телескопы на ночном небе: галактики, подобные нашему Млечному Пути, скопления галактик и даже более крупные скопления материи или нитей. газа и пыли.

Как быстро происходит этот рост, зависит, по крайней мере, в сегодняшней Вселенной, от своего рода борьбы между силами природы: может ли темная материя, которая удерживает все вместе посредством своей гравитации и притягивает дополнительную материю, выстоять против темной энергии, которая толкает Вселенная когда-либо дальше друг от друга?

«Если мы сможем точно измерить структуры на небе, мы сможем наблюдать эту борьбу», — говорит астрофизик LMU Даниэль Грюн.

Именно здесь на помощь приходят проекты телескопических наблюдений, очень точно фиксирующие на изображениях большие участки неба. Например, есть «Обзор темной энергии» с телескопом Бланко в Чили и недавно введенный в эксплуатацию спутник «Евклид». Ученые LMU уже много лет участвуют в обоих проектах, в том числе на руководящих должностях.

Самый большой набор данных, оцененный на сегодняшний день

Хотя точно определить расстояния от нас отдельных структур и галактик не всегда легко, это жизненно важно. В конце концов, чем дальше находится галактика, тем дольше ее свет добирается до нас, поэтому снимок Вселенной, полученный в результате ее наблюдений, старше. Важным источником информации является наблюдаемый цвет галактики, который измеряется наземными телескопами, такими как Бланко, или спутниками, такими как Евклид.

Новое исследование группы под руководством Джейми Маккалоу и Дэниела Грюн, опубликованное в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества», проанализировало самый большой набор данных на сегодняшний день и проливает свет на то, что на самом деле цвет различных галактик говорит об их истинное расстояние.

В принципе, расстояние до галактики можно точно определить с помощью спектроскопии. Это включает в себя измерение спектральных линий далеких галактик. Поскольку Вселенная в целом расширяется, кажется, что они имеют большую длину волны, чем дальше от нас расположена галактика. Это потому, что световые волны далеких галактик протянуты в долгий путь к нам.

Этот эффект, известный как красное смещение, также меняет видимые цвета, которые измеряют инструменты на изображении галактики. Они кажутся краснее, чем есть на самом деле. Это похоже на эффект Доплера, который мы слышим в кажущемся звуке сирены машины скорой помощи, когда она проезжает мимо нас и удаляется.

Нет двух одинаковых галактик

Джейми Маккалоу — докторант-исследователь в LMU и Стэнфордском университете. Для своего анализа она использовала спектроскопические измерения с помощью Спектроскопического инструмента темной энергии (DESI) в сочетании с самым большим на сегодняшний день набором данных для точного измерения цветов галактик (KiDS-VIKING).

В частности, авторы объединили спектроскопические данные DESI всего 230 000 галактик с цветами этих галактик в обзоре KiDS-VIKING и использовали эту информацию для определения связи между расстоянием галактики от нас и ее наблюдаемым цветом и яркостью. Во Вселенной нет двух одинаковых галактик, но для каждого класса подобных галактик существует особая связь между наблюдаемым цветом и красным смещением.

«Если мы сможем объединить информацию о расстоянии с измерениями формы галактик, мы сможем вывести крупномасштабные структуры на основе искажений света», — говорит Джейми Маккалоу.

Результаты исследования позволяют статистически определить истинное расстояние до каждой галактики, наблюдаемой на изображениях, полученных Евклидом или Обзором темной энергии.

Анализируя наблюдаемые искажения изображений галактик, ученые смогут кое-что узнать о поведении космических структур сегодня и миллиарды лет назад и лучше понять их. Это позволит лучше понять историю эволюции Вселенной.

Чтобы иметь возможность наблюдать ход формирования структур во времени, не нужно ждать миллиарды лет; достаточно измерить конструкцию на различных расстояниях от Земли. С одними изображениями это практически невозможно, поскольку невозможно просто определить расстояние галактики до нашей по ее внешнему виду на изображении.

Исследование Джейми Маккалоу содержит ключ к решению этой проблемы, предоставляя модель того, что видимый «цвет» галактики говорит нам о ее расстоянии от нас.

Наблюдение за борьбой темной материи и темной энергии

Основная цель этого точного наблюдения и распределения галактик на различных расстояниях — получить представление о великой борьбе между природными силами темной материи и темной энергии.

«Чтобы по-настоящему увидеть, что происходит, нужно иметь возможность наблюдать за отдельными раундами этого матча», — говорит Грюн. Это связано с тем, что темная энергия готова догнать и потенциально остановить образование более крупных скоплений массы во Вселенной.

«Только тогда мы поймем, что на самом деле представляют собой темная материя и темная энергия, и какая из них в конечном итоге возобладает».

Больше информации: J McCullough et al, DESI complete calibration of the colour–redshift relation (DC3R2): results from early DESI data, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1316

Источник: Ludwig Maximilian University of Munich