NGC 474:科学家在遥远的星系中发现行星状星云

距离约1.1亿光年的环状星系NGC 474。环状结构是由碰撞星系的合并过程形成的。图片来源:DES/DOE/Fermilab/NCSA & CTIO/NOIRLab/NSF/AURA
距离约1.1亿光年的环状星系NGC 474。环状结构是由碰撞星系的合并过程形成的。图片来源:DES/DOE/Fermilab/NCSA & CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

波茨坦莱布尼茨天体物理研究所 (AIP) 的研究人员利用 MUSE 仪器的数据成功探测到遥远星系中极其微弱的行星状星云。所使用的方法是图像数据处理中的一种过滤算法,为宇宙距离测量开辟了新的可能性——因此也为确定哈勃常数开辟了道路。

行星状星云是一种特殊的星云,一般出现在恒星从红巨星演化到白矮星阶段的生命末期:当恒星用完核聚变燃料时,它会吹掉它的气体壳进入星际空间,核心收缩,变得非常热,并激发膨胀的气体壳发光。与恒星的连续光谱不同,这种气体壳中某些元素的离子,如氢、氧、氦和氖,仅在某些波长下发光。调谐到这些波长的特殊滤光片可以使微弱的星云可见。银河系中距离最近的此类天体是 650 光年外的螺旋星云

行星状星云 NGC 7294(“螺旋星云”),太阳附近的一个天体。图片来源:NASA、NOAO、ESA、哈勃螺旋星云团队、M. Meixner (STScI) 和 TA Rector (NRAO)
行星状星云 NGC 7294(“螺旋星云”),太阳附近的一个天体。图片来源:NASA、NOAO、ESA、哈勃螺旋星云团队、M. Meixner (STScI) 和 TA Rector (NRAO)

随着行星状星云距离的增加,图像中的视直径缩小,综合视亮度随着距离的平方而降低。在我们邻近的星系仙女座星系中,距离大约 4000 倍,螺旋星云只能以一个点的形式出现,它的表观亮度将暗淡近 1500 万倍。借助现代大型望远镜和长曝光时间,这些物体仍然可以使用滤光片或成像光谱进行成像和测量。

使用 AIP 开发的 PMAS 仪器,科学家首次成功地对仙女座星系中的少数行星状星云进行了积分场光谱分析。 2001 年至 2002 年在卡拉阿尔托天文台的 3.5m 望远镜上。然而,相对较小的 PMAS 视场还不允许研究更大的物体样本。

使用更强大的仪器在更大的望远镜上扩大了 50 倍以上的视场,花了 20 年的时间来进一步开发这些最初的实验。智利超大望远镜的 MUSE 主要是为了发现我们目前可观测到的宇宙边缘极微弱的物体——自第一次观测以来,已经为此目的产生了惊人的结果。正是这种特性在探测遥远星系中极微弱的 PN 时也发挥了作用。

MUSE 影像数据环结构
上图中 NGC 474 环状结构图像中两个标记场中的 MUSE 图像数据。左图:连续谱中的图像,带有未解析的恒星带以及圆圈标记的球状星团。右图:红移氧发射线中的过滤图像,行星状星云从噪声中作为点源出现。器乐效果所产生的伪像已经完全消失了。来源:AIP/M

星系 NGC 474 是一个特别优秀的星系例子,它通过与其他较小的星系碰撞,由引力效应散射的恒星形成了一个显眼的环状结构。它位于大约 1.1 亿光年之外,比螺旋星云远约 170,000 倍。因此,该星系中行星状星云的表观亮度几乎比螺旋星云低 300 亿倍,并且处于该团队设计 MUSE 仪器的具有宇宙学意义的星系范围内。

AIP 的一组研究人员与来自美国的同事一起开发了一种方法,可以使用 MUSE 以高灵敏度分离和精确测量遥远星系中行星状星云的极微弱信号。图像数据处理中特别有效的过滤算法在这里起着重要作用。对于环形星系 NGC 474,ESO 档案数据是可用的,这些数据基于两次非常深的 MUSE 曝光,每个曝光时间为 5 小时。数据处理结果:应用滤波算法后,共可见15个极微弱的行星状星云。

这种高度敏感的程序开辟了一种新的距离测量方法,适用于解决当前讨论的哈勃常数确定中的差异。行星状星云具有物理上不能超过某个最大光度的特性。星系中样本的光度分布函数,即行星状星云(PNLF)的光度函数,在亮端中断。此属性是标准蜡烛的属性,可用于通过统计方法计算距离。PNLF 方法已于 1989 年由团队成员 George Jacoby(NSF 的 NOIRLab)和 Robin Ciardullo(宾夕法尼亚州立大学)开发。30年来已成功应用于50多个星系,但受到迄今为止使用的过滤器测量的限制。距离大于室女座或天炉座星系团的星系超出了范围。

该研究现已发表在《天体物理学杂志》上,表明 MUSE可以达到两倍以上的范围,从而可以独立测量哈勃常数。

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