[830x]
Свет от далеких квазаров (красные точки слева) частично поглощается при прохождении облаков водорода. "Лес" из линий поглощения водорода (на врезке) в спектре каждого отдельного квазара показывает положение более плотных облаков газа на луче нашего зрения. Спектры собираются спектрографом - квадрат справа. Доступный для этого диапазон расстояний находится примерно в районе 10 млрд св. лет. Хотя исследование СЛОАН и собирало спектры квазаров некоторое время назад, программа БОСС получает в 10 раз больше данных на квадратный градус, чтобы создать трехмерную карту невидимого нам газа, открывая крупномасштабную структуру ранней Вселенной.
(иллюстрация Зоси Ростомиан и др., Лаборатория Беркли)
Лаборатория Беркли, 12 ноября 2012 года, по мотивам статьи Пола Пройса http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2012/11/12/boss-quasars-early-universe/

БОСС (BOSS - Спектроскопический Обзор Барионных Осцилляций) не занимается разной там мелочью или ерундой. Его цель - картографирование по-настоящему ОГРОМНОГО объема пространства, чтобы понять роль темной энергии в эволюции Вселенной.

БОСС - самая большая программа третьего полного обзора неба СЛОАН (SDSS-III). Только что объявлено о первом большом научном результате этой программы, использовавшей новый метод картографирования на основе 48 тысяч (!) квазаров с красными смещениями свыше 3.5 - до 11.5 млрд лет в прошлом.

"До этого у нас не было метода исследования темной энергии в ту древнюю эру, когда материя была достаточно плотной для того, чтобы гравитация замедляла расширение Вселенной, а влияние темной энергии не было таким ощутимым" - говорит руководитель исследований Дэвид Шлегель из Лаборатории Беркли. "В наше время расширение Вселенной ускоряется, поскольку во Вселенной доминирует темная энергия. Самым трудным вопросом современной космологии является то, как темная энергия повлияла на переход от замедления расширения к ускорению."

Два способа измерить расширение Вселенной.
И вот, в рамках программы международного сотрудничества собрались настоящие и бывшие ученые лаборатории Беркли для изучения барионных акустических осцилляций (БАО) - это такая структура вариаций - в распределении галактик в большом масштабе, в распределении еле-заметных облаков межгалактического газа, которые также выявляют распределение совсем уже невидимой темной материи. Различия плотности материи были вызваны первобытными вариациями плотности, останки которых мы видим в микроволновом фоновом излучении. Это распределение дает нам космическую линейку для калибровки коэффициента расширения там, где можно измерить эти самые БАО.

Используя основные телескопы обзора СЛОАН в обсерватории Апач, Нью-Мексико, БОСС произвели двунаправленное спектроскопическое исследование БАО. Для начала были исследованы обычные яркие галактики с красными смещениями до 0.8, которые находятся где-то около 7 млрд лет в прошлом. Первые результаты обзора включили 300 тысяч галактик, о чем сообщалось в марте этого года. Но для того, чтобы собрать галактики с красными смещениями в очень ранней Вселенной - для исследования БАО - 2.5-метрового телескопа маловато. Поэтому появилась вторая цель- квазары.

"Квазары - самые яркие объекты на небе, это единственный способ измерить спектры с красным смещением 2 и больше." говорит Шлигель. " На таких смещениях галактик по-прежнему в сотни раз больше, чем квазаров, но их яркости недостаточно для исследования БАО".

Квазары слишком разбросаны по небу, чтобы их можно было бы использовать для прямого измерения БАО, но есть другой метод, с помощью которого они открывают БАО на больших красных смещениях. На своем пути к нам луч квазара пронизывает межгалактические облака молекулярного водорода, поэтому его спектр содержит массу линий поглощения водорода, которые называют Лесом Лайман-Альфа. В идеале, каждая линия поглощения в этом "лесу" показывает, что свет квазара прошел через облако молекулярного газа. И, в идеале, красные смещения этих индивидуальных линий показывают смещения отдельных облаков газа в зависимости от расстояния, показывая в то же время, как распределена плотность этих облаков на луче нашего зрения. Иными словами - так мы добавляем в нашу карту БАО третье измерение.

С достаточным количеством квазаров, которые находятся близко к друг другу на нашем небе и покрывают достаточно большой его кусок, представляется возможным измерение распределения облаков газа в трех измерениях. Впервые эта идея была предложена Патриком Макдональдом - тогда из Канадского Института Теоретической Астрофизики, и Мартином Уайтом, которые сейчас оба работают в Беркли.

"Когда я впервые представил эту идею на конференции космологов в 2003 году, они сочли это безумием" - говорит Уайт, который также является профессором физики и астрономии Университета Калифорнии в Беркли, и заведует одной из команд обзора БОСС. "Девять лет спустя БОСС доказала, что это удивительно мощный метод, который превзошел наши самые смелые ожидания."

Значительно более сложный спектрограф SDSS III, сконструированный в Беркли под руководством Натали Рои дает лучший охват и разрешение, чем его предшественники, но поиск БАО в Лесу Лайман-Альфа - по-прежнему большая проблема сразу по нескольким причинам. Линии поглощения Лаймана-альфа находятся в ультрафиолетовой части спектра, который поглощается земной атмосферой, поэтому с Земли доступны только те квазары, чье красное смещение имеет только определенное значение. Линии поглощения Лаймана выявляют только нейтральный водород, в то время как большинство водорода во Вселенной ионизовано. Среди других неопределенностей - неравномерное нагревание облаков водорода или слишком близкое положение нескольких квазаров, которое может искажать сигнал.

[830x]
Для программы БОСС выбраны десятки тысяч квазаров с целью исследования линий Лаймана-альфа. На основе снимков предыдущего обзора СЛОАН и фотометрических наблюдений для них были измерены точные расположения.
"В сравнении с обзорами галактик, поиск БАО в Лесу Лайман-Альфа предлагает большие риски, но и большое вознаграждение" - говорит сотрудник Лаборатории Беркли Николас Росс. Для того, чтобы составить карту, нужны спектры минимум 15-20 квазаров на квадратный градус неба - и значит, БОССу нужно до 10% от всех 2 млн отдельных целей в течение 5 лет наблюдательного времени - только на квазары. Цели выбираются по результатам фотометрических исследований (определение яркости объекта на разных длинах волн), но только после получения спектра объекта команда может быть уверена в том, что из всего этого - реальный квазар, а что - звезда или объект, маскирующийся под квазар. БОССу нужен был этот шанс.

"Нам помогает одна вещь" - говорит Росс - "Если у квазара нужное нам красное смещение, нам не важно, какой у него тип. Чтобы определить, что это квазар, можно использовать данные ультрафиолетвых наблюдений, данные ближнего инфракрасного диапазона - в общем, любой метод, любой трюк - потому, что мы собираемся использовать их только как подсветку для облаков газа. И мы обнаружили, что наши алгоритмы подбора объектов работают".

[830x]
До сих пор трехмерные карты БОСС и других исследований могли измерять распределение галактик до момента 5.5 млрд лет назад - т.е. до времени, когда Вселенная уже начала ускорять свое расширение. Измерения квазаров в рамках БОСС (красная точка слева) путем измерения структуры межгалактического газа, смогла увидеть более раннюю Вселенную, когда ее расширение замедлялось гравитацией материи. Данные измерений квазаров дают возможность увидеть процесс перехода от замедления к ускорению расширения Вселенной, которое вызывается темной энергией.
(График Зоси Ростомиан и др., Лаборатория Беркли)
Поиск сигнала
Предварительный результат Лаймана-альфа - первая карта БАО на очень ранней стадии эволюции Вселенной - основан на примерно трети всех данных, которые еще собирается получить БОСС, и включает 60369 квазаров, подтвержденных визуальными исследованиями их спектров. Но для упрощения поиска, многие из этих квазаров были исключены.

"Чтобы получить БАО из наших данных, нужно убрать искажения сигнала" - говорит участник команды из Беркли Билл Каритерз. Один из выброшенных классов квазаров - квазары с широкими линиями поглощения в спектрах, где происходят быстрые движения материала газа вокруг активного центра. Еще один отброшенный тип - со спектрами с "желобами" в Лайман-альфа, которые получаются, по словам Каритерза "когда свет от квазара проходит через очень, очень большой сгусток газа - настолько большой, что он совершенно затирает весь лес".

Убрав все забракованные спектры, команда осталась с квазарами числом 48129. 11 мая 2011 года команда Анжи Слосаря из Национальной Лаборатории в Брукхавене, которая когда-то входила в Лабораторию Беркли, продемонстрировал практику измерений меняющейся плотности межгалактического газа используя всего лишь 14 тысяч квазаров - по его словам "достаточно, чтобы подтвердить правильность метода".

"Мы не использовали какой-то особой информации на одном луче зрения, вместо этого взяли корреляцию между многими" - говорит Каритерз. "БОСС стал первым, для которого у нас было достаточно квазаров. Если бы их было мало, вы бы не увидели всю картину".

В дополнение к конвертации сырых данных, приходящих с телескопов в информацию, которую можно было бы использовать для программы, Стефен Балли из Лаборатории Беркли занимался также выборками симуляционных данных - т.н. прототипами - чтобы анализ заслуживал доверия.

"Прототипы важны, поскольку вы пытаетесь измерить что-то, что никогда до вас не измеряли." говорит Балли - "Мы знаем, где находятся настоящие квазары, мы знаем физику газов, но мы не знаем, где находится этот газ. Наши симуляции были основаны на положениях и красных смещениях реальных квазаров, но прототипирование спектров давало другое распределение газа. Если мы можем увидеть распределение в одном анализе, мы увидим его и в других."

В конце концов после обработки данных и прототипирования спектров в Римановском линуксовом кластере компьютеров в Группе Компьютеров Высокой Производительности в Беркли, анализ Леса Лаймана-Альфа более 48 тысяч квазаров дал аналогичный результат.

Шлигель: "Не существует пока более достоверного способа измерения БАО для красных смещений от 2 и больше. Пять лет назад это было рискованным, но единственным методом. Мы могли потерпеть неудачу множеством разных способов, но природа оказалась благосклонна к нам."

Уайт: "Мы смотрим назад, во Вселенную, где еще доминировала материя, когда расширение замедлялось, и темной энергии не было видно. Переход от замедления к ускорению расширения был отчетливым, а теперь мы живем во Вселенной, где доминирует темная энергия. Самая большая загадка космологии - почему именно сейчас?"

За этим вопросом БОСС отправится еще дальше, чтобы воссиять, когда обзор более 1.5 млн галактик и 160 тысяч квазаров будет закончен. А тем временем, Лес Лаймана-Альфа открыл новый вид древней Вселенной, что когда-нибудь приведет к полному пониманию законов природы вместе с другими программами, более мощными программами исследований - вроде новой БИГ БОСС.

Источники: http://www.nebulacast.com/2012/11/blog-post_14.html
http://www.nebulacast.com/2012/11/blog-post_15.html
http://ria.ru/science/20121113/910601224.html

Ссылки:
1. "Барионные Акустические Осцилляции в Лесу Лаймана-Альфа квазаров"
2. SDSS-III
3. Исследование BOSS
4. Новое исследование Big Boss
5. Лаборатория Беркли