Hubble Deep Field¶

Hubble Deep Field (HDF) — это изображение небольшого участка неба в созвездии Большой Медведицы, полученное космическим телескопом «Хаббл» (NASA/ESA) в декабре 1995 года. Снимок стал результатом десятидневной экспозиции (с 18 по 28 декабря 1995 года) на одном из самых пустых, на первый взгляд, участков неба, где отсутствовали яркие звёзды и галактики. HDF стал первым глубоким полем «Хаббла», позволившим увидеть галактики на расстоянии до 12 миллиардов световых лет, и заложил основы для последующих наблюдений ранней Вселенной.

¶История проекта

¶Предпосылки

В начале 1990-х годов астрономы столкнулись с проблемой: даже самые мощные наземные телескопы не могли разглядеть галактики на ранних этапах их эволюции. Атмосфера Земли рассеивает и искажает свет, а также поглощает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Космический телескоп «Хаббл», запущенный в 1990 году, после установки корректирующей оптики (COSTAR) в 1993 году, был способен делать снимки с беспрецедентным разрешением и чувствительностью.

¶Выбор цели

Руководитель проекта, астроном Роберт Уильямс (тогда директор Научного института космического телескопа, STScI), решил направить телескоп на участок неба, который выглядел бы совершенно пустым при наблюдении с Земли. Критерии выбора включали:

• Минимальное количество звёзд Млечного Пути — участок должен находиться вдали от плоскости Галактики, чтобы избежать засветки от ярких звёзд и пыли.
• Отсутствие ярких галактик — чтобы не было перегрузки детекторов.
• Низкое фоновое излучение — зодиакальный свет и излучение от земной атмосферы должны быть минимальными.

Был выбран участок в созвездии Большой Медведицы, с координатами: прямое восхождение 12ч 36м 49,4с, склонение +62° 12′ 58″. Площадь поля составила 2,6 квадратных угловых минуты (примерно 1/24 миллиона площади неба).

¶Наблюдения

С 18 по 28 декабря 1995 года «Хаббл» сделал 342 отдельных снимка этого участка с помощью широкоугольной планетарной камеры 2 (WFPC2). Камера имела четыре ПЗС-матрицы: три по 800×800 пикселей и одна с меньшим разрешением (800×800 пикселей, но с более крупными пикселями). Экспозиции проводились через четыре фильтра:

• F300W (ультрафиолетовый, 300 нм) — 42 часа,
• F450W (синий, 450 нм) — 33 часа,
• F606W (зелёный, 606 нм) — 30 часов,
• F814W (инфракрасный, 814 нм) — 34 часа.

Общая экспозиция составила около 140 часов. Снимки были объединены и обработаны для удаления космических лучей, шумов и артефактов. Итоговое изображение было опубликовано 15 января 1996 года.

¶Содержание изображения

¶Количество объектов

На снимке HDF было идентифицировано более 3000 отдельных галактик, из которых около 500 были ранее неизвестны. Подавляющее большинство объектов — это далёкие галактики, расположенные на красных смещениях (z) от 0,5 до 6. Некоторые из них являются одними из самых далёких объектов, известных на тот момент.

¶Типы галактик

Изображение показало широкое разнообразие галактических морфологий:

• Неправильные галактики — составляют значительную часть объектов на больших красных смещениях. Они имеют хаотичную структуру, без чётко выраженных спиральных рукавов или балджа.
• Спиральные галактики — встречаются реже, чем в современной Вселенной, но присутствуют на умеренных красных смещениях (z < 2).
• Эллиптические галактики — в основном красные и компактные, часто с высоким красным смещением.
• Галактики с активными ядрами (АЯГ) — некоторые объекты демонстрируют признаки квазаров или сейфертовских галактик.

¶Красные смещения

Среднее красное смещение галактик на HDF составляет около 1,5, что соответствует расстоянию примерно 9 миллиардов световых лет. Самые далёкие галактики имеют z ≈ 6, что соответствует возрасту Вселенной около 1 миллиарда лет после Большого взрыва. Для определения красных смещений использовались как фотометрические методы (по цвету), так и спектроскопические (с помощью наземных телескопов, например, Keck).

¶Научные результаты

¶Эволюция галактик

HDF предоставил прямые доказательства эволюции галактик. На снимке видно, что в ранней Вселенной (z > 2) галактики были значительно меньше, более неправильной формы и имели более высокий темп звездообразования. Это подтвердило теорию иерархического слияния: галактики растут, объединяясь с меньшими объектами.

¶Звёздообразование

Измерение темпов звездообразования в галактиках на разных красных смещениях показало, что пик активности пришёлся на z ≈ 1–2 (около 8–10 миллиардов лет назад). После этого темпы звездообразования резко снизились. HDF позволил оценить, что в ранней Вселенной (z ≈ 3) галактики формировали звёзды в 10–20 раз быстрее, чем современные спиральные галактики.

¶Космологические параметры

Наблюдения HDF использовались для уточнения космологических параметров, таких как постоянная Хаббла и плотность тёмной материи. Сравнение количества галактик на разных красных смещениях с моделями эволюции позволило ограничить параметры ΛCDM-модели.

¶Поиск протогалактик

HDF стал первым изображением, на котором были обнаружены кандидаты в протогалактики — объекты, которые, возможно, являются предшественниками современных галактик. Некоторые из них имеют красные смещения z > 5 и выглядят как очень компактные, голубые пятна.

¶Критика и ограничения

¶Малая площадь

Основной недостаток HDF — крошечная площадь обзора (2,6 квадратных угловых минуты). Это составляет менее 1/1000 площади полной Луны. Из-за этого невозможно судить о крупномасштабной структуре Вселенной. Результаты, полученные на таком малом участке, могут быть статистически нерепрезентативными.

¶Селекционные эффекты

На снимке видны только галактики, достаточно яркие для обнаружения. Очень тусклые или сильно запылённые галактики могут быть пропущены. Кроме того, на больших красных смещениях (z > 3) свет от галактик смещается в инфракрасную область, и WFPC2, работавшая в основном в оптическом диапазоне, могла не регистрировать самые далёкие объекты.

¶Атмосферные помехи

Хотя «Хаббл» находится за пределами атмосферы, на изображение влияют космические лучи и солнечный ветер. Эти помехи были частично удалены при обработке, но могли привести к потере слабых сигналов.

¶Последующие глубокие поля

¶Hubble Ultra Deep Field (HUDF)

В 2003–2004 годах «Хаббл» получил ещё более глубокое изображение — Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Оно было сделано на участке в созвездии Печи, с экспозицией около 1 миллиона секунд (11,3 дня). HUDF позволил увидеть галактики с красными смещениями до z ≈ 7–8.

¶Hubble eXtreme Deep Field (XDF)

В 2012 году была опубликована версия Hubble eXtreme Deep Field (XDF), которая объединила данные HUDF с дополнительными наблюдениями. Общая экспозиция составила более 2 миллионов секунд. XDF содержит около 5500 галактик, включая объекты с z ≈ 10–11.

¶James Webb Space Telescope (JWST)

С запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) в 2021 году, глубокие поля стали получать в инфракрасном диапазоне. JWST уже обнаружил галактики с красными смещениями z > 13, что соответствует возрасту Вселенной около 300–400 миллионов лет. Эти наблюдения подтвердили и расширили результаты, полученные на HDF.

¶Значение для астрономии

Hubble Deep Field стал одним из самых знаковых изображений в истории астрономии. Он показал, что даже на «пустом» участке неба скрываются тысячи галактик, и что Вселенная в ранние эпохи была гораздо более активной и хаотичной. HDF вдохновил на создание целой серии глубоких полей, которые позволили проследить эволюцию галактик от первых миллиардов лет после Большого взрыва до наших дней. Изображение также стало популярным в массовой культуре, символизируя бесконечность и сложность космоса.

¶Интересные факты

• На момент создания HDF был самым глубоким изображением Вселенной, когда-либо полученным в оптическом диапазоне.
• Для обработки данных потребовалось несколько месяцев работы суперкомпьютеров.
• На снимке видны галактики, свет от которых шёл до Земли более 12 миллиардов лет — это почти 90% возраста Вселенной.
• HDF был сделан на участке, который изначально считался «пустым» — на нём не было видно ни одной звезды Млечного Пути.

¶Источники

• Williams, R. E., et al. (1996). «The Hubble Deep Field: Observations, Data Reduction, and Galaxy Photometry». The Astronomical Journal, 112, 1335.
• Madau, P., et al. (1996). «High-Redshift Galaxies in the Hubble Deep Field: Colour Selection and Star Formation History to z~4». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 283, 1388.
• Ferguson, H. C., et al. (2000). «The Hubble Deep Field». Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, 667.
• Beckwith, S. V. W., et al. (2006). «The Hubble Ultra Deep Field». The Astronomical Journal, 132, 1729.
• Illingworth, G. D., et al. (2013). «The Hubble eXtreme Deep Field (XDF)». The Astrophysical Journal Supplement Series, 209, 6.