18-04-2023
Hubble Deep Field (HDF) — изображение небольшой области в созвездии Большой Медведицы, полученное космическим телескопом «Хаббл». Область, захватываемая на изображении, равна 5,3 квадратным угловым минутам [1] — одна двухмиллионная площади небесной сферы. Изображение было собрано из 342-х отдельных снимков, взятых с Широкоугольной планетной камеры-2 (англ. Wide Field and Planetary Camera 2) (WFPC2), установленной на телескопе Хаббл. Построение изображения проводилось в течение нескольких дней, в период с 18 декабря по 28 декабря 1995 года[2].
Область является настолько маленькой, что только несколько звёзд с переднего плана Млечного пути лежат в её пределах; таким образом, почти все 3000 объектов на изображении — галактики.
В 2004 году, более глубокое изображение, известное как Hubble Ultra Deep Field (HUDF), было построено за одиннадцать дней наблюдений. Изображение HUDF является самым глубоким и чувствительным астрономическим изображением, когда-либо сделанным в видимых длинах волн[3].
Содержание |
Одна из ключевых целей астрономов, которые проектировали космический телескоп «Хаббл», состояла в том, чтобы использовать высокое оптическое разрешение телескопа для изучения отдалённых галактик с очень высокой детализацией, недоступной ранее.[1] На телескоп, находящийся в космосе, в отличие от наземных телескопов, не влияет атмосферное искажение, что позволяет получать изображения с гораздо большей чувствительностью в видимом и ультрафиолетовом спектре, нежели изображения, полученные с поверхности Земли. Поскольку путь света от очень отдалённых галактик занимает миллионы и миллиарды лет, мы видим их, какими они были очень давно. Исследования подобного рода позволяют лучше составить представление о возникновении, эволюции и развитии галактик.[4]
Область, выбранная для наблюдений, должна была соответствовать нескольким критериям:
Эти критерии значительно ограничили возможные для наблюдения области.[1]
Было решено, что цель будет находиться в «непрерывной зоне наблюдения» телескопа «Хаббл» (CVZs) — области неба, которая не закрывается Землёй или Луной во время движения телескопа по орбите. Рабочая группа решила сконцентрироваться на северной «непрерывной зоне наблюдения» так, чтобы с применением телескопов северного полушария, таких как Very Large Array и Телескопа Кека, могли проводиться последующие наблюдения.[1][5]
Первоначально были найдены двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых были выбраны три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы. Дальнейшие радионаблюдения исключили одну из этих областей, потому что в ней находился яркий радиоисточник, и окончательное решение между двумя другими было принято на основе присутствия «навигационных звёзд» около одной из областей: наблюдения с помощью телескопа «Хаббл» обычно требуют наличия нескольких соседних звёзд, по которым сенсоры точного позиционирования телескопа (англ.) (англ. Fine Guidance Sensors) захватывают область наблюдения. В конечном счёте, была выбрана область, расположенная в прямом восхождении: 12ч 36м 49,4с и склонении +62° 12′ 58″[6].
Определившись с областью наблюдения, учёные приступили к разработке методики. Из 48 фильтров (включая узкополосные, изолирующие специфические спектральные линии и широкополосные), которыми оборудована WFPC2, необходимо было определить, какие из них использовать для наблюдений. Выбор зависел от «пропускной способности» каждого фильтра. Применение полосовых фильтров было крайне нежелательно.
В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300 нм, 450 нм (синий свет), 606 нм (красный свет) и 814 нм[7]. Поскольку квантовая эффективность датчиков телескопа «Хаббл» весьма низка в области волн 300 нм, шум при наблюдениях в этой длине волны происходит, прежде всего, из-за шума CCD-матрицы, а не из-за фонового шума неба; таким образом, эти наблюдения могли проводиться, когда высокий фоновый шум будет вредить эффективности наблюдений в других полосах пропускания.
Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Хаббл облетел вокруг Земли по своей орбите приблизительно 150 раз[8]. Полное время наблюдений в каждой длине волны составили: 48,93[9] часа (300 нм), 36,52[9] часа (450 нм), 34,94[9] часа (606 нм) и 34,86[9] часа (814 нм). Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения, яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.
В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пикселы, засвеченные воздействием космических лучей. Сравнением нескольких последовательно сделанных изображений были выявлены пикселы, затронутые космическими лучами в одном изображении, но не затронутые в другом. Следы космического мусора и искусственных спутников также были тщательно убраны с изображений.[1][10][11]
Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо различался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости этих фрагментов были выровнены по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Получившееся изображение было сглажено. Благодаря этой процедуре, почти весь рассеянный свет был удалён с изображений.[1][9][12]
После того, как с 342 отдельных изображений были убраны дефекты, их объединили в одно. Одному пикселу CCD-матрицы на WFPC2 соответствовала область в 0,09 угловых секунд. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. С использованием сложных методов обработки (специальный алгоритм «Drizzle»[13][14]) изображения были объединены, и в итоговом изображении в каждой длине волны размеры пиксела составили 0,04[14][15] угловых секунд.
Обработка данных привела к получению четырёх монохромных изображений, по одному на каждой длине волны. Объединение их в цветное изображение было произвольным процессом, поскольку длины волн, в которых были взяты изображения, не соответствуют длинам волн красного, зелёного и синего света. Цвета в заключительном изображении дают только приблизительное представление фактических цветов галактик; выбор фильтров для HDF (как и большинство изображений, полученных с помощью телескопа Хаббл) был, прежде всего, направлен на то, чтобы максимизировать научную полезность наблюдений, а не для передачи соответствий цветов, воспринимаемых визуально.[16]
Финальное изображение содержит изображения около 3000 галактик — от ярко выраженных неправильных и спиральных на переднем плане, до едва заметных, размером всего несколько пикселов, на заднем. В целом, на HDF, предположительно, звёзд переднего плана — менее десятка, большинство же объектов — отдалённые галактики. Многие галактики взаимодействуют друг с другом, формируя цепи и дуги: они, вероятно, будут областями интенсивного формирования звёзд.
Данные со снимка HDF предоставили учёным богатый материал для анализа, и, по состоянию на 2005 год, в астрономической литературе появилось около 400 документов (исследования, статьи), основанных на HDF. Одним из самых фундаментальных результатов было открытие большого числа галактик с высоким значением красного смещения. На тот момент было известно большое количество квазаров с высоким красным смещением, галактик же с высоким красным смещением было известно крайне мало. На изображении HDF присутствует много галактик со значением красного смещения более 6, что примерно соответствует расстоянию в 12 миллиардов световых лет. Самые отдалённые объекты в области HDF не видны на изображениях телескопа Хаббл; они могут быть обнаружены только на изображениях, полученных в других длинах волн наземными телескопами.[17]
На изображении HDF содержится большое количество неправильных галактик. Считается, что гигантские эллиптические галактики формируются в процессе взаимодействия спиральных и неправильных галактик. Обширный набор галактик на различных стадиях их развития позволил астрономам получить новую информацию о процессах формирования звёзд.
В течение многих лет астрономы ломали голову над природой тёмной материи, массу которой обнаружить не удаётся, но которая составляет приблизительно 23 %[18] массы Вселенной по наблюдениям и расчётам, а также тёмной энергии — имеющей отрицательное давление и равномерно заполняющей всё пространство Вселенной. На долю тёмной энергии приходится 72 %[18] от всех составляющих Вселенной.
Одна из теорий состоит в том, что тёмная материя могла бы состоять из Массивных Астрофизических Компактных Объектов Гало (англ. Massive Astrophysical Compact Halo Objects) — слабые, но массивные объекты, такие как красные карлики во внешних областях галактик. Эта теория не подтвердилась с помощью изображения HDF; на нём не было обнаружено большого числа красных карликов.
HDF является ориентиром в наблюдательной космологии и до сих пор очень многое из этой области не изучено. Начиная с 1995 года, проводились многочисленные исследования и наблюдения как наземными телескопами, так и космическими, в широком диапазоне волн, от радио до рентгена.[17][19]
Много объектов с высоким значением красного смещения были обнаружены в пределах области HDF с использованием наземных телескопов, в особенности, с помощью радиотелескопа Джеймса Клерка Максвелла (англ. James Clerk Maxwell Telescope)[1]. Высокое красное смещение этих объектов не позволяло обнаружить их в видимом диапазоне волн, и лишь наблюдения в других длинах волн (инфракрасный диапазон, субмиллиметровые волны) позволили сделать это.[1][5]
Наблюдения Инфракрасной космической обсерватории (англ. Infrared Space Observatory (ISO)) выявили инфракрасное излучение от 13 галактик, видимых на оптических изображениях. В этих галактиках содержится большое количество «межзвёздной пыли», что связывают с интенсивным формированием звёзд. Радио-изображения, полученные с использованием наземных инструментов, таких, как VLA, выявили 5 радиоисточников[20] в HDF (изначально их было выявлено 14[21], но из-за ошибок при наблюдениях осталось только 5), каждое из которых соответствуют галактике в видимом диапазоне волн.
В 1998 году было создано изображение, подобное HDF, но в южном полушарии неба: Hubble Deep Field South. Изображение было сформировано аналогично HDF, с применением такого же метода. Полученное изображение было очень похоже на HDF, что является подтверждением космологического принципа, говорящего о том, что в глобальных масштабах Вселенная — однородна.
| Космический телескоп «Хаббл» | |
|---|---|
| Инструменты на борту | Усовершенствованная обзорная камера (ACS) · Регистрирующий спектрограф космического телескопа (STIS) · Датчик системы точного наведения (FGS) · Камера и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (NICMOS) · Ультрафиолетовый спектрограф (COS) · Широкоугольная камера 3 (WFC3) |
| Снятые инструменты | Система COSTAR · Камера съёмки тусклых объектов (FOC) · Спектрограф тусклых объектов (FOS) · Спектрограф высокого разрешения Годдарда (GHRS/HRS) · Высокоскоростной фотометр (HSP) · Широкоугольная и планетарная камера (WFPC) · Широкоугольная и планетарная камера 2 (WFPC2) |
| Миссии шаттлов | запуск: STS-31 1990 · ремонт: STS-61 1993 · STS-82 1997 · STS-103 1999 · STS-109 2002 · STS-125 2009 |
| Примечательные снимки | Hubble Deep Field 1995 · Hubble Deep Field South 1998 · Hubble Ultra Deep Field 2003-4 · Extended Groth Strip 2004-5 · Great Observatories Origins Deep Survey |
