Обзор красных смещений галактик 2dF

Рис. 1. Англо-австралийский телескоп, с помощью которого проводился обзор неба 2dF.

Обзо́р кра́сных смеще́ний гала́ктик 2dF (англ. 2dF Galaxy Redshift Survey, Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey, 2dFGRS) — астрономический обзор неба, проводившийся Англо-австралийской обсерваторией с 1996 по 2002 годы с целью измерения красного смещения сотен тысяч галактик и изучения крупномасштабной структуры Вселенной. Наблюдения проводились в двух противоположных участках небесной сферы вдали от плоскости Галактики (в районе галактических полюсов) с использованием прибора 2dF (англ. Two Degree Field) и многоволоконных спектрографов, установленных на 3,9-метровом Англо-австралийском телескопе (рис. 1). В задачи обзора входило измерение красных смещений 250 тысяч галактик ярче видимой звёздной величины 19,5 в фотометрической полосе B_J со следующими целями:

• исследование крупномасштабного распределения галактик на расстояниях порядка нескольких сотен мегапарсеков, его статистических характеристик;
• поиск барионных акустических осцилляций в спектре мощности распределения галактик;
• анализ взаимосвязей между свойствами отдельных галактик и их распределением для проверки моделей образования и эволюции галактик;
• изучение формирования крупномасштабной структуры Вселенной и характеристик первичных возмущений плотности (в частности, проверка предсказаний инфляционных моделей Вселенной);
• измерение средней плотности барионного вещества Вселенной и тёмной материи;
• исследование свойств тёмной материи (в частности, выяснение того, является ли она холодной или горячей);
• наблюдательные ограничения космологических моделей и др.

В результате обзора было исследовано крупномасштабное распределение галактик во Вселенной в двух больших полосах небесной сферы до космологического красного смещения $z=0,\!3$ (что соответствует космологическому расстоянию около 4 млрд световых лет). Помимо основной программы по наблюдению галактик был проведён обзор квазизвёздных объектов (англ. 2dF QSO Redshift Survey, 2QZ), предусматривавший измерение красных смещений около 30 тысяч квазаров, изучение их пространственного распределения и установления наблюдательных ограничений на некоторые космологические параметры.

2dFGRS являлся крупнейшим в мире обзором красных смещений в период с 1998 по 2003 годы (уступив в 2003 году этот статус Слоуновскому цифровому обзору неба). Проектом руководили Ричард Эллис из Кембриджского университета (позднее — Калифорнийского технологического института), Джон Пикок из Эдинбургского университета и др. За полученные результаты участники проекта Шон Коул из Даремского университета и Джон Пикок (совместно с Даниэлем Эйзенштейном из Гарвардского университета) были награждены премией Шао по астрономии 2014 года.

Описание

Файл:Области обзора 2dF на небесной сфере.png

Рис. 2. Области наблюдений обзора 2dF (отмечены чёрными кружками) на небесной сфере. Синим цветом нанесена сетка экваториальных небесных координат, зелёным цветом указан галактический экватор.

Обзор проводился с помощью прибора 2dF (англ. Two Degree Field), установленного в главном фокусе 3,9-метрового Англо-австралийского телескопа и имеющего одномоментное поле зрения диаметром 2° (отсюда и произошло название прибора и обзора). Этот прибор работал совместно с двумя многоволоконными спектрографами, каждый из которых оснащён 400 оптическими волокнами (двумя массивами по 200 волокон в каждом), позволяющими измерять одновременно 400 спектров. Наблюдения проводились в интервале длин волн 110—440 нм.

Для наблюдений были выбраны два больших участка небесной сферы в окрестностях северного и южного галактических полюсов (чтобы наблюдениям не мешала межзвёздная среда, сосредоточенная в основном в диске Галактики). Оба участка представляли собой широкие полосы, параллельные небесному экватору и имеющие угловые размеры вдоль прямого восхождения и склонения соответственно 75° × 7,5° в северном галактическом полушарии неба и 75° × 15° в южном полушарии. Первый участок содержал 70 тысяч галактик, второй — 140 тысяч галактик. Также были обследованы 100 небольших областей диаметром 2° вблизи южного участка (рис. 2), содержащие ещё около 40 тысяч галактик. Впоследствии указанные полосы наблюдений были расширены (до размеров 75° × 10° в северном полушарии и 80° × 15° в южном полушарии) и выборка галактик была увеличена с 250 тысяч до почти 390 тысяч. Суммарная площадь небесной сферы, охваченная наблюдениями, составила около 2000 квадратных градусов.

Предельная видимая звёздная величина обзора составляла 19,5, максимальное красное смещение $z_{max}\approx 0,\!3$ (при среднем красном смещении ${\overline {z}}=0,\!11$). Наибольшее красное смещение, наблюдаемое обзором, соответствует расстоянию 835 h^–1 Мпк (если принять модель ΛCDM), где h — значение постоянной Хаббла, в единицах 100 км/(с · Мпк). Объём Вселенной, охваченный обзором, составляет приблизительно 1,2 ×10⁸ h^–3 Мпк³. Согласно современным данным, h = 0,674; следовательно, максимальное расстояние обзора — примерно 1,2 Гпк (4 млрд световых лет), а объём — около 4 ×10⁸ Мпк³.

Первые спектры галактик в рамках обзора 2dF были получены в середине 1996 года, а систематические наблюдения начались в сентябре 1997 года и завершились в апреле 2002 года. Всего для обзора потребовалось 272 ночи наблюдений на протяжении 5 лет. Финальный релиз данных каталога состоялся 30 июня 2003 года.

Результаты

Файл:2dF Cone.png

Рис. 3. Крупномасштабное распределение галактик во Вселенной по данным обзора 2dFGRS для двух секторов неба. Наша Галактика находится в центре. Вдоль радиальной линии указаны красное смещение галактик и расстояние до них, вдоль окружности указано прямое восхождение.

В рамках обзора 2dFGRS наблюдениями было охвачено всего 382 323 астрономических объекта. Для 245 591 объекта получены спектрометрические данные, среди них 232 155 галактик (221 414 со спектрами хорошего качества), 125 квазаров (с красными смещениями больше 0,5) и 12 311 звёзд.

В результате были измерены красные смещения более 221 тысячи галактик, вычислены расстояния до них и определены их светимости. Это дало возможность исследовать различные статистические характеристики галактик, в частности, найти функции светимости галактик различных морфологических и спектральных типов. Были определены соотношения между светимостью и поверхностной яркостью галактик, позволяющие установить наблюдательные ограничения на модели формирования галактик. Также была построена трёхмерная карта крупномасштабного распределения более 221 414 тысячи галактик, охватывающая около 5% небесной сферы и диапазон красных смещений до $z\approx 0,\!2$. На карте хорошо видна «сетчатая» крупномасштабная структура Вселенной, содержащая сверхскопления галактик, филаменты, великие стены и пусто́ты между ними (рис. 3).

По данным обзора был измерен космологический параметр плотности нерелятивистской материи (которая включает в барионное вещество, холодную тёмную материю и гипотетические массивные нейтрино): $\Omega _{m}h=0,\!20\pm 0,\!03$. Кроме того, был построен спектр мощности крупномасштабного распределения вещества и впервые обнаружены барионные акустические осцилляции. По амплитуде осцилляций можно измерить долю барионного вещества $\Omega _{b}$ в общей плотности нерелятивистской материи: $\Omega _{b}/\Omega _{m}=0,\!15\pm 0,\!07$. Если принять приближённое значение $h=0,\!7$, то получится: $\Omega _{m}=0,\!29\pm 0,\!07;\;$ $\Omega _{b}\approx 0,\!044\pm 0,\!021$. Также установлены ограничения на вклад массивных нейтрино в общую плотность тёмной материи, из которого следует предел на сумму масс трёх типов нейтрино на уровне 1,8 эВ.

Все эти результаты согласуются с данными других экспериментов, в частности, наблюдений анизотропии реликтового излучения с помощью интерферометра DASI, баллонного телескопа BOOMERanG и космической обсерватории WMAP, а также с оценками, полученными путём сравнения наблюдаемой распространённости лёгких химических элементов во Вселенной с расчётами на основе теории первичного нуклеосинтеза. В целом, результаты наблюдений 2dF подтверждают стандартную космологическую модель, описывающую плоскую Вселенную (пространство которой обладает нулевой кривизной) с параметром плотности вещества $\Omega _{m}\approx 0,\!3$ и ненулевой космологической постоянной, параметр плотности которой равен $\Omega _{\Lambda }\approx 0,\!7$.

С помощью прибора 2dF был также выполнен обзор красных смещений квазизвёздных объектов (англ. 2dF QSO Redshift Survey, 2QZ), по результатам которого в 2003 году опубликован каталог 22 653 квазаров с хорошо измеренными спектрами в интервале красных смещений $z=0,\!3-3$. С помощью этой выборки были изучены статистические характеристики крупномасштабного распределения квазаров (построены спектры мощности распределения) и установлены новые наблюдательные ограничения на космологические параметры: $\Omega _{m}h=0,\!19\pm 0,\!05;\;$ $\Omega _{b}/\Omega _{m}=0,\!18\pm 0,\!10$.

Помимо своих основных задач прибор 2dF был использован для некоторых исследований в области звёздной астрономии, среди которых:

• измерение лучевых скоростей нескольких тысяч звёзд главной последовательности спектральных классов F и G на расстояниях 3—7 кпк от Солнца в нашей Галактике;
• спектроскопические исследования больших выборок тусклых звёзд в шаровых звёздных скоплениях для изучения эволюции химического состава звёзд;
• спектроскопия углеродных звёзд в Магеллановых Облаках, изучение движения звёзд в Большом Магеллановом Облаке, построение диаграммы Герцшпрунга — Рассела для Малого Магелланова Облака и др.

Литература

• (1998) «The Anglo-Australian Observatory 2dF Project: Current status and the first year of science». Fiber Optics in Astronomy III. ASP Conference Series, Vol. 152, 1998, ed. S. Arribas, E. Mediavilla, and F. Watson (1998). Proceedings of a meeting held in Puerto de la Cruz, Canary Islands, Spain, 2-4 December 1997. 152: 71—79. Bibcode: 1998ASPC..152...71L.

• (1999) «First results from the 2dF Galaxy Redshift Survey». Philosophical Transactions of the Royal Society A 357 (1750): 105—116. DOI:10.1098/rsta.1999.0317. Bibcode: 1999RSPTA.357..105C.

• (1999) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: Spectral types and luminosity functions». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 308 (2): 459—472. DOI:10.1046/j.1365-8711.1999.02721.x. Bibcode: 1999MNRAS.308..459F.

• (2001) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: The number and luminosity density of galaxies». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 324 (4): 825—841. DOI:10.1046/j.1365-8711.2001.04254.x. Bibcode: 2001MNRAS.324..825C.

• (2001) «The 2dF galaxy redshift survey: Near-infrared galaxy luminosity functions». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 326 (1): 255—273. DOI:10.1046/j.1365-8711.2001.04591.x. Bibcode: 2001MNRAS.326..255C.

• (2001) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: The power spectrum and the matter content of the Universe». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 327 (4): 1297—1306. DOI:10.1046/j.1365-8711.2001.04827.x. Bibcode: 2001MNRAS.327.1297P.

• (2001) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: Spectra and redshifts». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 328 (4): 1039—1063. DOI:10.1046/j.1365-8711.2001.04902.x. Bibcode: 2001MNRAS.328.1039C.

• (2001) «A measurement of the cosmological mass density from clustering in the 2dF Galaxy Redshift Survey». Nature 410 (6825): 169—173. DOI:10.1038/35065528. Bibcode: 2001Natur.410..169P.

• (2002) «The Anglo-Australian Observatory 2dF facility». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 333 (2): 279—299. DOI:10.1046/j.1365-8711.2002.05333.x. Bibcode: 2002MNRAS.333..279L.

• (2002) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: The b_J-band galaxy luminosity function and survey selection function». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 336 (3): 907–931. DOI:10.1046/j.1365-8711.2002.05831.x. Bibcode: 2002MNRAS.336..907N.

• (2005) «The 2dF Galaxy Redshift Survey: Power-spectrum analysis of the final data set and cosmological implications». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 362 (2): 505—534. DOI:10.1111/j.1365-2966.2005.09318.x. Bibcode: 2005MNRAS.362..505C.

Ссылки

• The 2dF Galaxy Redshift Survey (официальный сайт) (дублирующий сайт).
• The 2dF Galaxy Redshift Survey // The Royal Observatory, Edinburgh.
• Cannon R. 2DF: The Two-Degree Field Facility on the AAT / Wide-Field Spectroscopy. Astrophysics and Space Science Library, vol 212. Springer, Dordrecht, 1997.
• Colles M. Cosmological results from the 2dF Galaxy Redshift Survey (2003) // arXiv:astro-ph/0305051. — Дата публикации: 05.05.2003.
• The 2dF QSO Redshift Survey (2QZ) (сайт обзора красных смещений квазаров в помощью инструмента 2dF).
• Космологический калькулятор Неда Райта (ресурс, позволяющий рассчитать собственное расстояние до объектов с любым космологическим красным смещением при заданных космологических параметрах).

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Обзор красных смещений галактик 2dF», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Обзор_красных_смещений_галактик_2dF» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».