Cosmic Web Imager был задуман и разработан профессором физики Калифорнийского технологического института Кристофером Мартином. «Я думал о межгалактической среде с тех пор, как был аспирантом», — говорит Мартин. «Он не только составляет большую часть обычной материи во Вселенной, но и является средой, в которой образуются и растут галактики».С конца 1980-х и начала 1990-х годов теоретики предсказывали, что первичный газ, образовавшийся в результате Большого взрыва, не распространяется равномерно по космосу, а вместо этого распространяется по каналам, которые охватывают галактики и текут между ними. Эта «космическая паутина» — IGM — представляет собой сеть меньших и больших волокон, пересекающих друг друга через бескрайнее пространство космоса и возвращающихся во времени к эпохе, когда галактики впервые формировались, а звезды рождались с большой скоростью.Мартин описывает диффузный газ IGM как «тусклую материю», чтобы отличить его от яркой материи звезд и галактик, а также темной материи и энергии, составляющих большую часть Вселенной.
Хотя вы можете так не думать в яркий солнечный день или даже звездную ночь, 96 процентов массы и энергии во Вселенной составляют темная энергия и темная материя (впервые предположил Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института в 1930-х годах), о существовании которых мы знаем. мы можем видеть только из-за его воздействия на оставшиеся 4 процента: нормальную материю. Из этих 4 процентов нормального вещества только четверть состоит из звезд и галактик, ярких объектов, которые освещают наше ночное небо.
Остальное, составляющее лишь около 3 процентов всего во Вселенной, — это IGM.Как следует из названия Мартина для IGM, «тусклую материю» трудно увидеть. До разработки Cosmic Web Imager наблюдался IGM в основном через поглощение света на переднем плане, указывающее на присутствие материи, происходящее между Землей и удаленным объектом, таким как квазар (ядро молодой галактики).«Когда вы смотрите на газ между нами и квазаром, у вас только одна линия обзора», — объясняет Мартин. «Вы знаете, что есть немного газа дальше, есть немного газа ближе, и есть немного газа в середине, но нет никакой информации о том, как этот газ распределяется в трех измерениях».
Мэтт Матушевски, бывший аспирант Калифорнийского технологического института, который участвовал в создании космического веб-тепловизора, а теперь работает специалистом по приборам в Калифорнийском технологическом институте, сравнивает этот вид с прямой видимости с наблюдением за сложным городским пейзажем через несколько узких щелей в стене: «Все вы бы знали, что есть бетон, окна, металл, тротуар, может быть, случайная вспышка цвета. Только открыв щель, вы увидите, что есть здания, небоскребы, дороги, мосты, машины и люди, идущие по улицам.
Только сделав снимок, вы сможете понять, как все эти компоненты сочетаются друг с другом, и понять, что вы смотрите на город ».Мартин и его команда впервые увидели город из неясной материи.
Он не полон небоскребов и мостов, но захватывает как визуально, так и с научной точки зрения.Первые космические волокна, наблюдаемые с помощью Cosmic Web Imager, находятся в непосредственной близости от двух очень ярких объектов: квазара, обозначенного QSO 1549 + 19, и так называемого альфа-пузыря Лаймана в формирующемся скоплении галактик, известном как SSA22.
Эти объекты были выбраны Мартином для первоначальных наблюдений, потому что они яркие, освещают окружающий IGM и усиливают его обнаруживаемый сигнал.Наблюдения показывают, что в квазар втекает узкая нить длиной в миллион световых лет, что, возможно, способствует росту галактики, в которой находится квазар.
Между тем, есть три волокна, окружающие альфа-каплю Лаймана, с измеренным вращением, которое показывает, что газ из этих волокон течет в каплю и влияет на ее динамику.Cosmic Web Imager — это спектрографический формирователь изображений, позволяющий одновременно снимать изображения на многих разных длинах волн. Это мощный метод исследования астрономических объектов, поскольку он позволяет не только видеть эти объекты, но и узнавать об их составе, массе и скорости. В условиях, ожидаемых для космических волокон, водород является доминирующим элементом и излучает свет с определенной длиной волны ультрафиолета, называемой альфа Лаймана.
Атмосфера Земли блокирует свет в ультрафиолетовых длинах волн, поэтому для наблюдения альфа-сигнала Лаймана необходимо находиться за пределами атмосферы Земли, наблюдая со спутника или высотного воздушного шара.Однако, если альфа-излучение Лаймана находится намного дальше от нас, то есть приходит к нам из более раннего времени во Вселенной, то оно достигает большей длины волны (явление, известное как красное смещение).
Это переводит альфа-сигнал Лаймана в видимый спектр, так что он может проходить через атмосферу и быть обнаружен наземными телескопами, такими как Cosmic Web Imager.Объекты, которые наблюдал Cosmic Web Imager, датируются примерно 2 миллиардами лет после Большого взрыва, времени быстрого звездообразования в галактиках. «В случае с альфа-каплей Лаймана, — говорит Мартин, — я думаю, что мы смотрим на гигантский протогалактический диск.
Его диаметр составляет почти 300 000 световых лет, что в три раза больше Млечного Пути».Cosmic Web Imager финансировался за счет грантов NSF и Caltech. После успешного развертывания прибора в Паломарской обсерватории группа Мартина сейчас разрабатывает более чувствительную и универсальную версию Cosmic Web Imager для использования в обсерватории У. М. Кека на вершине Мауна-Кеа на Гавайях. «Газовые волокна и структуры, которые мы видим вокруг квазара и альфа-капли Лаймана, необычайно ярки. Наша цель — в конечном итоге увидеть среднюю межгалактическую среду повсюду.
Это сложнее, но мы доберемся до цели», — говорит Мартин.Планируются также наблюдения IGM с помощью телескопа на борту высотного аэростата FIREBALL (Тусклый межгалактический воздушный шар с красным смещением); и со спутника ISTOS (спектроскопический телескоп с визуализацией для исследований происхождения).
Благодаря обходу большей части, если не всей нашей атмосферы, оба инструмента позволят проводить наблюдения альфа-излучения Лаймана — и, следовательно, IGM — которые ближе к нам; то есть из более поздних эпох Вселенной.