CHORD выходит на охоту за тёмными галактиками и газовыми гигантами далёкой Вселенной

Почти каждая галактика хранит в себе облако нейтрального водорода — топлива, из которого рано или поздно рождаются звёзды. По тому, сколько этого газа удерживает галактика и как оно распределено по массе среди галактик разного калибра, астрономы восстанавливают историю формирования и роста галактик во Вселенной. Проблема в том, что эта перепись остаётся полной лишь в «среднем весе»: у самых лёгких и самых тяжёлых по газу объектов до сих пор нет надёжной статистики — просто потому, что нынешние обзоры неба либо недостаточно чувствительны, чтобы разглядеть газовых карликов, либо недостаточно широки, чтобы набрать статистику по редким газовым гигантам.

На лёгком краю этого распределения теория предсказывает по-настоящему экзотический класс объектов — «тёмные галактики»: сгустки тёмной материи, которые сумели удержать первозданный газ водорода, но так и не зажгли в нём ни одной звезды. Увидеть такую галактику можно только по её радиоизлучению на длине волны 21 сантиметр — никакого оптического света у неё попросту нет. Подтверждённых кандидатов на сегодня — единицы: самый нашумевший, безымянное облако Cloud-9 рядом с галактикой M94, был найден китайским радиотелескопом FAST, но даже его природа окончательно не подтверждена — с тем же успехом это может оказаться просто клочок газа, сорванный приливными силами с обычной галактики, а не настоящий беззвёздный сгусток тёмной материи.

На противоположном, тяжёлом краю распределения — свои сложности. Богатые газом гиганты с массой водорода в десятки миллиардов солнечных масс — редкость даже в ближайшей к нам части Вселенной, а заглянуть за её пределы и посмотреть, как эта популяция менялась с возрастом Вселенной, современным обзорам почти не под силу: слишком узкая полоса приёма частот большинства инструментов не пускает их дальше совсем близких красных смещений.

Закрыть оба этих пробела разом должен новый канадский радиотелескоп CHORD — Канадская обсерватория водорода и детектор радиотранзиентов. В его основе необычная по меркам подобных инструментов идея: вместо привычной для интерферометров хаотичной расстановки антенн CHORD использует строго регулярную решётку из 512 шестиметровых тарелок. На первый взгляд это ограничивает разнообразие масштабов, которые телескоп способен различить на небе, зато резко повышает его чувствительность и позволяет вести не точечные, а по-настоящему широкие обзоры неба — именно то, что нужно для переписи галактик по всему диапазону масс газа. Работая в режиме «дрейфового сканирования» — тарелки просто стоят неподвижно, пока вращение Земли проносит мимо них полосу неба, — CHORD способен покрыть в общей сложности 13 000 квадратных градусов неба в северном полушарии на широкой полосе частот, которая соответствует красным смещениям вплоть до z ≈ 3,7.

Чтобы понять, чего реально ждать от такого инструмента, авторы новой работы не просто описали его характеристики — они построили полноценную виртуальную симуляцию будущего обзора. В компьютер загрузили известную статистику распределения галактик по массе водорода, разыграли миллионы виртуальных галактик со случайными положениями на небе, наклонениями и формами спектральных линий — а затем для каждой такой «виртуальной вселенной» прогнали через неё реалистичную модель шума и чувствительности CHORD, чтобы посчитать, какие из них телескоп реально сумел бы заметить.

Результат впечатляет уже для первого года наблюдений: при охвате примерно 8700 квадратных градусов CHORD должен обнаружить порядка трёхсот тысяч галактик до z ≈ 0,3 — на порядок больше, чем в лучших нынешних каталогах. За пять лет, при полном охвате всего доступного неба, счёт перевалит уже за миллион обнаружений, простираясь до z ≈ 0,5. На лёгком краю распределения масс пятилетний обзор должен довести перепись галактик по газу до масс порядка 30 тысяч солнечных — это более чем на порядок ниже всего, что удавалось измерить прежде: счёт таких сверхлёгких находок пойдёт на тысячи, а среди них ожидаются десятки объектов размером с карликовую галактику Leo T, одну из самых лёгких известных галактик Местной группы.

На тяжёлом краю распределения CHORD должен найти порядка тысячи по-настоящему массивных газовых гигантов на красных смещениях от 0,3 до 0,5 — то есть заглянуть на территорию, где предыдущие широкие обзоры почти ничего не видели из-за слишком узкой полосы приёма. Это впервые позволит напрямую проверить, менялась ли статистика самых богатых газом галактик с возрастом Вселенной, а не просто предполагать это по косвенным данным.

Конечно, идеальных наблюдений не бывает. Часть неба в определённом диапазоне частот будет страдать от помех со стороны навигационных спутников, а из-за сравнительно широкого «зрачка» телескопа некоторые обнаружения на промежуточных расстояниях рискуют оказаться слепленными сразу из нескольких соседних галактик. Авторы оценили масштаб обеих проблем и пришли к выводу, что для итоговой статистики оба эффекта не станут критичными — разве что потребуют аккуратности при интерпретации отдельных находок на самых больших расстояниях.

Самое интригующее, впрочем, ждёт в самом низу шкалы масс. Опираясь на оценки количества тёмных галактик в компьютерных моделях Местной группы, авторы прикидывают: если хотя бы часть предсказанной популяции беззвёздных газовых сгустков реально существует, пятилетний обзор CHORD должен поймать порядка тридцати таких объектов — крупнейшую подобную выборку за всю историю наблюдений. Даже если часть из них при ближайшем рассмотрении окажется не первозданными тёмными галактиками, а обычными приливными обломками, само число надёжно найденных кандидатов впервые позволит поставить наблюдательное, а не только теоретическое ограничение на минимальную массу, при которой тёмное гало вообще способно превратиться в настоящую галактику.

Вместе взятые, эти прогнозы рисуют картину телескопа, способного разом закрыть два самых слепых пятна в переписи галактик по газу — крошечных, почти невидимых тёмных карликов и редких массивных гигантов на космологических расстояниях. И то и другое интересно не само по себе, а как две крайние точки одной и той же истории: истории о том, при каких условиях тёмная материя вообще способна собрать вокруг себя достаточно газа, чтобы получилась настоящая, светящаяся звёздами галактика — а при каких так и остаётся невидимым облаком, ожидающим своего радиотелескопа.

✊

---

Домашнее чтение:

📖 - https://arxiv.org/pdf/2607.24903