Гравитационные линзы: новые горизонты космических наблюдений с телескопами Хаббл и Роман

Недавняя галерея гравитационных линз, запечатленная космическим телескопом Хаббла, демонстрирует разнообразие этого космического явления и закладывает основу для последующих наблюдений с помощью нового космического телескопа Нэнси Грейс Роман. Гравитационное линзирование, впервые предсказанное Альбертом Эйнштейном, происходит, когда гравитация массивного объекта на переднем плане, такого как галактика или скопление галактик, изгибает, искажает и увеличивает свет более удаленного объекта на заднем плане. Этот эффект можно сравнить с гигантской линзой в космосе, которая позволяет астрономам видеть объекты, находящиеся гораздо дальше, чем любой телескоп мог бы увидеть сам по себе. Линзы на представленных изображениях образовались в результате точного выравнивания удаленной галактики с массой галактики на переднем плане, создавая искаженные и увеличенные изображения заднего фона, которые выглядят как дуги вокруг передней галактики. Астрономы будут использовать эти наблюдения большой и разнообразной популяции гравитационных линз для построения моделей линз, которые помогут определить, сколько массы находится в галактике на переднем плане, и потенциально подтвердить или опровергнуть теорию темной материи. Изучая степень искажения лensed-галактик на заднем плане, астрономы могут определить количество и распределение массы в галактике на переднем плане, включая ее невидимую темную материю. Хаббл наблюдает космос в основном в видимом и ультрафиолетовом свете с некоторым покрытием инфракрасного диапазона, предоставляя всесторонний, высококачественный обзор отдельных объектов. В то время как Хаббл лучше видит отдельные линзы, Роман сможет захватывать больше линз благодаря более широкому полю зрения. Если Роман найдет особенно интересную линзу, исследователи могут использовать Хаббл для последующих наблюдений с его возможностями в области видимого и ультрафиолетового света для изучения отдельных объектов. С помощью высококачественной съемки Хаббла и точных моделей исследователи также смогут обнаружить небольшие несовершенства в этих гравитационно линзированных галактических дугах, которые могут указывать на наличие небольших скоплений темной материи. Эти ранее не обнаруженные скопления могут подтвердить теорию холодной темной материи, которая предсказывает существование множества небольших скоплений темной материи массой от миллиона до миллиарда солнечных масс. Для сравнения, темная материя нашей галактики Млечный Путь составляет около 1,3 триллиона солнечных масс. Изучая изображения линз Хаббла в деталях, исследователи намерены создать инструмент суперинтеллекта для эффективного поиска аналогичных дуг в предстоящих изображениях Романа. Ожидается, что изображения Хаббла не только дадут свои собственные результаты по темной материи, но и проложат путь для анализа более крупной выборки линз Романа. Уникальные линзы на этих изображениях демонстрируют некоторые из различных характеристик, которые исследователи увидят, собирая разнообразный и многочисленный ассортимент линз для тестирования в своих моделях. Например, панель A демонстрирует конфигурацию арка-контраарка, в которой линзированная галактика на заднем плане выглядит как дублированная пара дуг. Линзированная галактика увеличивается парой галактик на переднем плане, чья комбинированная масса изгибает свет от галактики на заднем плане вокруг них. Панель F представляет собой кольцо Эйнштейна, в котором выравнивание галактики на заднем плане и примерно сферической массы линзы на переднем плане так идеально расположено, что линзированная галактика почти полностью окружает галактику на переднем плане. Панель I показывает галактику с четырекратным линзированием, где галактика на заднем плане воспроизводится четыре раза, appearing as smeared dots around the foreground galaxy. Панель C также демонстрирует галактику с четырекратным линзированием, с двойными узлами, которые, вероятно, являются сильными областями звездообразования в галактике на заднем плане. Некоторые из увеличенных и искаженных галактик на заднем плане выглядят синими, а некоторые — красными. Эти голубоватые дуги указывают на молодые звезды, в то время как красные дуги указывают на более старые звезды. Роман и Хаббл будут исследовать эти различия, чтобы лучше понять, как галактики эволюционировали ранее во Вселенной. Большинство галактик на переднем плане являются эллиптическими, которые старше, плотнее и компактнее. Линзированные изображения галактик на заднем плане появляются только тогда, когда плотность массы галактики на переднем плане достигает критической точки. Однако не все эти галактики на переднем плане являются эллиптическими, и исследователи могут использовать эти различия для изучения эволюционных путей, пройденных этими галактиками. На панели G галактика на переднем плане выглядит вытянутой, что может быть правдой или оптическим обманом, а на панелях B и F галактики на переднем плане выглядят как спиральные. Панель D демонстрирует галактику на переднем плане с видимой пылевой полосой, что редко встречается в линзирующей галактике, и это тот вид деталей, в котором Хаббл преуспевает благодаря своему четкому видению в видимом свете. Линзированная галактика на заднем плане может быть кольцом Эйнштейна, при этом пылевая полоса "разрывает" наш обзор кольца. Поскольку инфракрасный свет менее затенен пылью, будущие инфракрасные наблюдения Романа могут помочь определить, образуют ли дуги более полное кольцо Эйнштейна. Эти сильные линзы были впервые обнаружены с помощью Инструмента спектроскопии темной энергии на Китт-Пике. Хаббл затем наблюдал их, а Роман проведет дальнейшие наблюдения. Изображения такого рода являются примером тех видов совместных усилий, которые регулярно происходят между великими обсерваториями NASA для создания комплексной картины космоса. С вступлением Романа в семью крупных космических обсерваторий, включая Хаббл, рентгеновскую обсерваторию Чандра и космический телескоп Джеймса Уэбба, открывается новое окно в Вселенную, раскрывающее ранее скрытые виды и расширяющее наши космические знания для всего человечества.