Planetariske tåger i fjerne galakser

Ved at bruge data fra MUSE-instrumentet, Det lykkedes forskere ved Leibniz Institut for Astrofysik i Potsdam (AIP) at opdage ekstremt svage planetariske tåger i fjerne galakser. Den anvendte metode, en filteralgoritme i billeddatabehandling, åbner op for nye muligheder for kosmisk afstandsmåling - og dermed også for at bestemme Hubble-konstanten.

Planetariske tåger er kendt i nærheden af ​​solen som farverige objekter, der dukker op i slutningen af ​​en stjernes liv, når den udvikler sig fra den røde kæmpe til den hvide dværgstadium:når stjernen har brugt sit brændstof til kernefusion, det blæser sin gashylster af i det interstellare rum, kontrakter, bliver meget varmt, og ophidser det ekspanderende gashylster til at gløde. I modsætning til stjernens kontinuerlige spektrum, ionerne af visse grundstoffer i denne gaskappe, såsom brint, ilt, helium og neon, udsender kun lys ved bestemte bølgelængder. Særlige optiske filtre, der er indstillet til disse bølgelængder, kan gøre de svage tåger synlige. Det nærmeste objekt af denne art i vores Mælkevej er Helix-tågen, 650 lysår væk.

Når afstanden til en planetarisk tåge øges, den tilsyneladende diameter i et billede krymper, og den integrerede tilsyneladende lysstyrke falder med kvadratet på afstanden. I vores nabogalakse, Andromedagalaksen, i en afstand næsten 4000 gange større, Helix-tågen ville kun være synlig som en prik, og dens tilsyneladende lysstyrke ville være næsten 15 millioner gange svagere. Med moderne store teleskoper og lange eksponeringstider, sådanne objekter kan ikke desto mindre afbildes og måles ved hjælp af optiske filtre eller billedspektroskopi. Martin Roth, førsteforfatter af den nye undersøgelse og leder af innoFSPEC-afdelingen på AIP:"Ved brug af PMAS-instrumentet udviklet på AIP, det lykkedes for første gang med integral feltspektroskopi for en håndfuld planetariske tåger i Andromedagalaksen i 2001 til 2002 på 3,5 m teleskopet på Calar Alto Observatory. Imidlertid, det relativt lille PMAS-synsfelt tillod endnu ikke at undersøge en større prøve af objekter."

Det tog godt 20 år at udvikle disse første eksperimenter yderligere ved hjælp af et kraftigere instrument med et mere end 50 gange større synsfelt på et meget større teleskop. MUSE ved Very Large Telescope i Chile blev primært udviklet til opdagelsen af ​​ekstremt svage objekter på kanten af ​​universet, der i øjeblikket kan observeres for os - og har produceret spektakulære resultater til dette formål siden de første observationer. Det er netop denne egenskab, der også spiller ind i detektionen af ​​ekstremt svag PN i en fjern galakse.

Galaksen NGC 474 er et særligt fint eksempel på en galakse, gennem kollision med andre, mindre galakser, har dannet en iøjnefaldende ringstruktur fra stjernerne spredt af gravitationseffekter. Den ligger omkring 110 millioner lysår væk, hvilket er omkring 170, 000 gange længere end Helix-tågen. Den tilsyneladende lysstyrke af en planetarisk tåge i denne galakse er derfor næsten 30 milliarder gange lavere end den for Helix-tågen og er i rækken af ​​kosmologisk interessante galakser, som holdet har designet MUSE-instrumentet til.

Et team af forskere ved AIP, sammen med kolleger fra USA, har udviklet en metode til at bruge MUSE til at isolere og præcist måle de ekstremt svage signaler fra planetariske tåger i fjerne galakser med høj følsomhed. En særlig effektiv filteralgoritme i billeddatabehandling spiller en vigtig rolle her. For ringgalaksen NGC 474, ESO arkivdata var tilgængelige, baseret på to meget dybe MUSE-eksponeringer med hver 5 timers observationstid. Resultatet af databehandlingen:efter anvendelse af filteralgoritmen, i alt 15 ekstremt svage planetariske tåger blev synlige.

Denne meget følsomme procedure åbner op for en ny metode til afstandsmåling, der er egnet til at bidrage til løsningen af ​​den aktuelt diskuterede uoverensstemmelse i bestemmelsen af ​​Hubble-konstanten. Planetariske tåger har den egenskab, at fysisk, en vis maksimal lysstyrke kan ikke overskrides. Fordelingsfunktionen af ​​lysstyrkerne af en prøve i en galakse, dvs. lysstyrkefunktionen af ​​planetariske tåger (PNLF), brækker af i den lyse ende. Denne egenskab er en standard stearinlys, som kan bruges til at beregne en afstand ved statistiske metoder. PNLF-metoden er blevet udviklet allerede i 1989 af teammedlemmerne George Jacoby (NSF's NOIRLab) og Robin Ciardullo (Penn State University). Det er med succes blevet anvendt på mere end 50 galakser i løbet af de sidste 30 år, men var begrænset af de hidtil anvendte filtermålinger. Galakser med afstande større end Jomfru- eller Fornax-hobenes var uden for rækkevidden. Studiet, nu offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift , viser, at MUSE kan opnå mere end det dobbelte af rækkevidden, tillader en uafhængig måling af Hubble-konstanten.