Художественная визуализация показывает, как скопление галактик (скопление линз) действует как гравитационная линза, которая увеличивает и расширяет свет от фоновой галактики. В результате проецируемое изображение (отмеченное на прямоугольной панели) становится ярче и его легче обнаружить с помощью телескопа. Это позволило астрономам использовать инструмент KCWI обсерватории Кека, чтобы увеличить проецируемое изображение и нанести на карту газ двух гигантских DLA, которые составляют две трети размера Млечного Пути. Предоставлено: Обсерватория В. М. Кека/Адам Макаренко.

После большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад ранняя Вселенная была заполнена огромными облаками нейтрального диффузного газа, известными как системы Damped Lyman-α, или DLA. Эти DLA служили галактическими питомниками, поскольку газы внутри медленно конденсировались, подпитывая формирование звезд и галактик. Их все еще можно наблюдать сегодня, но это непросто.

«DLA — это ключ к пониманию того, как формируются галактики во Вселенной, но их, как правило, трудно наблюдать, поскольку облака слишком рассеяны и сами не излучают никакого света », — говорит Ронгмон Бордолой, доцент кафедры физики Университета штата Северная Каролина и соответствующий автор исследования.

В настоящее время астрофизики используют квазары — сверхмассивные черные дыры, излучающие свет — в качестве «подсветки» для обнаружения облаков DLA. И хотя этот метод позволяет исследователям точно определять местонахождение DLA, свет от квазаров действует только как маленькие шампуры через массивное облако, препятствуя усилиям по измерению их общего размера и массы.

Но Бордолой и Джон О'Мира, главный научный сотрудник обсерватории В. М. Кека в Камуэле, Гавайи, нашли способ обойти проблему, используя галактику с гравитационной линзой и спектроскопию интегрального поля для наблюдения за двумя DLA — и галактиками-хозяевами внутри — которые сформировались вокруг 11 миллиардов лет назад, вскоре после Большого взрыва.

«Галактики с гравитационными линзами — это галактики, которые кажутся растянутыми и ярче», — говорит Бордолой. «Это связано с тем, что перед галактикой находится гравитационно-массивная структура, которая искривляет исходящий от нее свет по мере того, как он движется к нам. Таким образом, мы в конечном итоге смотрим на расширенную версию объекта — это похоже на использование космического телескопа, который увеличивает увеличение и дает нам лучшую визуализацию.

«Преимущество этого двоякое: во-первых, фоновый объект простирается по всему небу и является ярким, поэтому легко снимать показания спектра в разных частях объекта. Во-вторых, поскольку линза расширяет объект, вы можете исследовать очень маленькие масштабы. Например, если размер объекта составляет один световой год в поперечнике, мы можем изучать небольшие фрагменты с очень высокой точностью ».

Показания спектра позволяют астрофизикам «видеть» элементы в глубоком космосе , которые не видны невооруженным глазом, такие как диффузные газообразные DLA и потенциальные галактики внутри них. Как правило, сбор показаний является длительным и кропотливым процессом. Но команда решила эту проблему, выполнив спектроскопию интегрального поля с помощью Keck Cosmic Web Imager.

Интегральная спектроскопия поля позволила исследователям получить спектр для каждого отдельного пикселя той части неба, на которую он нацелен, что сделало спектроскопию протяженного объекта на небе очень эффективной. Это новшество в сочетании с растянутой и яркой галактикой с гравитационными линзами позволило команде составить карту диффузного газа DLA в небе с высокой точностью. С помощью этого метода исследователи смогли определить не только размер двух DLA, но и то, что они оба содержат галактики -хозяева .

«Большую часть своей карьеры я ждал этой комбинации: достаточно мощный телескоп и инструмент, и природа дала нам немного удачной настройки для изучения не одного, а двух DLA новым богатым способом», — говорит О'Мира. «Здорово видеть, что наука приносит плоды».

Между прочим, DLA огромны. Имея диаметр более 17,4 килопарсека, они более чем на две трети размера современной галактики Млечный Путь. Для сравнения, 13 миллиардов лет назад типичная галактика имела бы диаметр менее 5 килопарсек. Парсек равен 3,26 светового года , а килопарсек равен 1000 парсекам, поэтому свету потребуется около 56 723 лет, чтобы пройти через каждый DLA.

«Но для меня самое удивительное в DLA, которые мы наблюдали, это то, что они не уникальны — кажется, что они имеют сходство в структуре, галактики-хозяева были обнаружены в обоих, а их массы указывают на то, что они содержат достаточно топлива для следующего поколения. звездообразования», — говорит Бордолой. «С этой новой технологией в нашем распоряжении мы сможем глубже изучить то, как звезды формировались в ранней Вселенной».

Работа опубликована в журнале Nature.