سحابی‌های سیاره‌ای در کهکشانهای دوردست
کهکشان حلقه‌ای NGC 474 در فاصله حدود 110 میلیون سال نوری. ساختار حلقه در اثر ادغام فرآیندهای برخورد کهکشان‌ها شکل گرفته است. اعتبار: DES / DOE / Fermilab / NCSA & CTIO / NOIRLab / NSF / AURA
با استفاده از داده‌های ابزار MUSE، محققان موسسه لایب نیتس اخترفیزیک پوتسدام (AIP) موفق به کشف سحابی‌های سیاره‌ای بسیار ضعیف در کهکشانهای دوردست شدند. روش استفاده شده، یک الگوریتم فیلتر در پردازش داده‌های تصویر، امکانات جدیدی را برای اندازه‌گیری فاصله کیهانی – و در نتیجه همچنین برای تعیین ثابت هابل – ایجاد می‌کند.
سحابی‌های سیاره‌ای در همسایگی خورشید به عنوان اشیایی رنگارنگ شناخته می‌شوند که در پایان زندگی یک ستاره هنگام تکامل از مرحله غول سرخ به کوتوله سفید ظاهر می‌شوند: هنگامی که ستاره سوخت خود را برای همجوشی هسته‌ای مصرف کرد، منفجر می‌شود گاز در فضای بین‌ستاره‌ای منقبض شده، بسیار داغ می‌شود. برخلاف طیف پیوسته ستاره، یونهای عناصر خاصی در این پوشش گاز مانند هیدروژن، اکسیژن، هلیم و نئون فقط در طول‌موج‌های خاص نور منتشر می‌کنند. فیلترهای نوری ویژه تنظیم شده بر روی این طول‌موج‌ها می‌توانند سحابی‌های ضعیف را قابل مشاهده کنند. نزدیکترین شی از این نوع در کهکشان راه شیری ما سحابی هلیکس است که با آن 650 سال نوری فاصله دارد.
با افزایش فاصله یک سحابی سیاره‌ای، قطر ظاهری کوچک می‌شود و روشنایی ظاهری یکپارچه با مربع فاصله کاهش می‌یابد. در کهکشان همسایه ما، کهکشان آندرومدا، با فاصله تقریبا 4000 برابر بیشتر، سحابی هلیکس فقط به صورت یک نقطه قابل مشاهده است و روشنایی ظاهری آن تقریباً 15 میلیون برابر کم‌نورتر است. با استفاده از تلسکوپ‌های بزرگ مدرن و زمان نوردهی طولانی، می‌توان با استفاده از فیلترهای نوری یا طیف‌سنجی تصویربرداری، از چنین اجسامی تصویربرداری و اندازه‌گیری کرد. مارتین روت، اولین نویسنده مطالعه جدید و رئیس بخش innoFSPEC در AIP گفت: “با استفاده از ابزار PMAS توسعه یافته در AIP، ما موفق شدیم این کار را برای اولین بار با طیف‌سنجی برای تعداد انگشت‌شماری از سحابی‌های سیاره‌ای در کهکشان آندرومدا انجام دهیم.”
سحابی سیاره‌ای NGC 7294 (“سحابی هلیکس”) ، جسمی در همسایگی خورشید. اعتبار: NASA, NOAO, ESA, the Hubble Helix Nebula Team, M. Meixner (STScI), and T.A. Rector (NRAO)
با استفاده از ابزاری قدرتمندتر با میدان دید بیش از 50 برابر بزرگتر روی یک تلسکوپ بسیار بزرگتر، 20 سال طول کشید تا این آزمایشات انجام شود. MUSE در تلسکوپ بسیار بزرگ شیلی اساساً برای کشف اجسام بسیار کمنوری در لبه جهان در حال حاضر برای ما قابل مشاهده است و از اولین مشاهدات نتایج چشمگیری را برای این منظور به ارمغان آورده است. دقیقاً این خاصیت است که در شناسایی PN بسیار کم‌نور در کهکشان دور نیز نقش بازی می‌کند.
کهکشان NGC 474 یک نمونه کاملاً خوب از کهکشان است که از طریق برخورد با دیگر کهکشانهای کوچکتر، یک ساختار حلقوی مشهود از ستاره‌های پراکنده توسط اثرات گرانشی تشکیل داده است. فاصله آن تقریباً 110 میلیون سال نوری با ما فاصله دارد که تقریباً 170000 برابر سحابی هلیکس است. روشنایی ظاهری یک سحابی سیاره‌ای در این کهکشان تقریباً 30 بیلیون برابر کمتر از سحابی هلیکس است و در محدوده کهکشانهای جالب توجه کیهانی است که تیم برای آنها ابزار MUSE را طراحی کرده است.
داده‌های تصویر MUSE در دو قسمت مشخص شده در تصویر فوق از ساختار حلقه NGC 474. چپ: تصویر در پیوستار با باند ستاره‌ها و همچنین خوشه‌های کروی مشخص شده. راست: تصویر فیلتر شده در خط انتشار اکسیژن با تغییر مکان قرمز، که از آن سحابی‌های سیاره ای به عنوان منابع نقطه مانند ظاهر می‌شوند. اعتبار: AIP / M راث
یک تیم از محققان در AIP، به همراه همکارانش از ایالات متحده، روشی را برای استفاده از MUSE برای جداسازی و اندازه‌گیری دقیق سیگنالهای بسیار کم نور سحابی‌های سیاره‌ای در کهکشانهای دور با حساسیت بالا ایجاد کرده‌اند. یک الگوریتم فیلترینگ به خصوص موثر در پردازش داده‌های تصویر در اینجا نقش مهمی دارد. برای کهکشان حلقه‌ای NGC 474، داده های بایگانی ESO 5 با ساعت زمان مشاهده در دسترس بود. نتیجه پردازش داده‌ها: پس از استفاده از الگوریتم فیلتر، در مجموع 15 سحابی سیاره‌ای بسیار ضعیف قابل مشاهده هستند.
این روش بسیار حساس روش جدیدی را برای اندازه‌گیری فاصله ایجاد می‌کند که برای کمک به حل اختلاف موجود در تعیین ثابت هابل مناسب است. سحابی‌های سیاره‌ای خاصیتی دارند که از نظر جسمی نمی‌توان از حداکثر درخشندگی خاصی عبور کرد. عملکرد توزیع درخشندگی‌های یک نمونه در کهکشان، یعنی عملکرد درخشندگی سحابی‌های سیاره‌ای (PNLF) در انتهای درخشندگی قطع می‌شود. این خاصیت مربوط به یک شمع استاندارد است که با استفاده از روش‌های آماری می‌توان فاصله را محاسبه کرد. روش PNLF قبلاً در سال 1989 توسط اعضای تیم George Jacoby (NOIRLab NSF) و Robin Ciardullo (دانشگاه ایالتی پن) ساخته شده است. طی 30 سال گذشته با موفقیت در بیش از 50 کهکشان اعمال شده است، اما با اندازه‌گیری فیلترهای استفاده شده تاکنون محدود شده است. کهکشانهایی با فاصله بیشتر از خوشه‌های Virgo یا Fornax فراتر از حد مجاز بودند. این مطالعه که اکنون در مجله Astrophysical Journal به چاپ رسیده است، نشان می‌دهد که MUSE می‌تواند بیش از دو برابر برد را بدست آورد و اجازه اندازه‌گیری مستقل ثابت هابل را می‌دهد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Planetary nebulae in distant galaxies
by Sarah Hönig, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam
https://phys.org/news/2021-07-planetary-nebulae-distant-galaxies.html