Астрономы обнаружили десятки тысяч водородных гало

Астрономы в десять раз увеличили число известных гигантских водородных гало вокруг далеких галактик ранней Вселенной. Если раньше ученым были известны около 3 тысяч таких структур, то теперь их число превысило 33 тысячи. Результаты получили участники проекта HETDEX на телескопе Хобби — Эберли. Это важно для изучения эпохи, когда галактики росли особенно быстро, примерно 10–12 миллиардов лет назад: считается, что именно большие запасы водорода подпитывали тогда активное звездообразование.

Речь идет о туманностях Лайман-альфа — гигантских облаках водорода, которые окружают галактики. Они относятся к периоду, который астрономы называют космическим полднем. Это этап в истории Вселенной, когда темпы роста галактик были особенно высокими. Чтобы формировать новые звезды, таким системам требовались огромные резервуары газа. Однако долгое время наблюдения показывали лишь единичные примеры таких структур, поэтому было неясно, насколько они вообще распространены.

Теперь стало понятно, что это не редкость. Новое исследование не только резко увеличило число известных водородных гало, но и расширило представление об их размерах. У ученых появился более полный набор объектов: от сравнительно компактных до очень больших и сложных по форме.

Как пояснила Эрин Ментак Купер, ведущий автор работы и менеджер данных проекта HETDEX, последние два десятилетия исследователи в основном изучали один и тот же ограниченный набор объектов. По ее словам, HETDEX позволил находить гораздо больше таких гало, измерять их форму и размеры и, наконец, собрать крупный статистический каталог.

Наблюдать водород трудно, потому что сам по себе он почти не светится. Обычно его удается заметить только в том случае, если рядом есть мощный источник излучения, например галактика или группа галактик с большим числом звезд, испускающих ультрафиолет. Под действием этого излучения водород начинает светиться в линии Лайман-альфа. Но для таких наблюдений нужны чувствительные приборы и много времени на телескопах, а это дефицитный ресурс.

Именно поэтому прежние обзоры неба были ограничены. Они, как правило, улавливали только самые яркие и самые необычные водородные гало. А прицельные наблюдения далеких галактик часто были слишком узкими по полю зрения и просто не захватывали протяженные оболочки целиком. В результате астрономы видели либо самые маленькие структуры, либо самые заметные и экстремальные, а все промежуточные варианты выпадали из картины.

Проект HETDEX начал закрывать этот пробел. Его основная задача — картировать положение более миллиона галактик и использовать эти данные для изучения темной энергии. Но огромный массив наблюдений оказался полезен и для другой задачи: поиска гигантских водородных облаков вокруг галактик ранней Вселенной. Наблюдения ведут на телескопе Хобби — Эберли в обсерватории Макдональд.

По словам Карла Гебхардта, руководителя HETDEX, заведующего кафедрой астрономии Техасского университета в Остине и соавтора статьи, проект уже собрал почти половину петабайта данных не только о самих галактиках, но и о пространстве между ними. Он уточнил, что площадь обзора превышает площадь участка неба размером более чем в 2 тысячи полных лун. Это и дало возможность искать не отдельные объекты, а целые популяции таких структур.

Как отметил соавтор работы Дастин Дэвис, научный сотрудник Техасского университета в Остине и участник HETDEX, телескоп Хобби — Эберли относится к числу крупнейших в мире, а инструмент проекта получает около 100 тысяч спектров за одно наблюдение. Благодаря этому ученые работают с очень большим объемом информации и могут находить в нем объекты, которые раньше оставались незамеченными.

Размеры новых гало оказались очень разными. Одни простираются на десятки тысяч световых лет, другие — на сотни тысяч. Некоторые выглядят сравнительно просто и окружают одну галактику. Другие представляют собой большие неправильные структуры, внутри которых находится сразу несколько галактик. По словам Ментак Купер, именно такие сложные объекты особенно интересны: они напоминают гигантские амебы с вытянутыми отростками, уходящими в космос.

Чтобы выделить эти структуры, исследователи взяли 70 тысяч самых ярких галактик из более чем 1,6 миллиона ранних галактик, которые уже обнаружил HETDEX. Затем с помощью суперкомпьютеров Техасского центра перспективных вычислений они проверили, есть ли у этих объектов признаки окружающего гало. Ученые искали сочетание компактной центральной области водорода и более разреженного облака, которое тянется дальше в пространство.

Признаки гало нашлись почти у половины этих галактик. При этом исследователи считают, что и эта доля, вероятно, занижена. Как объяснила Ментак Купер, самые тусклые системы могут быть просто недостаточно яркими, чтобы их протяженные оболочки проявились полностью.

На обложке изображение Erin Mentuch Cooper (HETDEX), JWST image: NASA, ESA, CSA, STScI.