Радиотелескоп FAST ищет «тёмные» галактики

Китайский радиотелескоп FAST, один из крупнейших в мире, выпустил пилотный внегалактический обзор на частоте излучения нейтрального водорода (HI). Задачей его был поиск галактик в локальной Вселенной с преобладанием межзвёздного неионизированного газа. Среди 540 галактик, открытых по излучению молекулярного водорода, 16 не встречаются на оптических обзорах неба. Такие объекты могут быть кандидатами на роль гипотетических «тёмных галактик» с минимумом звёзд, в которых основная масса приходится на холодный межзвёздный газ и, возможно, на тёмную материю.

Обозначение HI относится к межзвёздным облакам из атомарного, то есть неионизированного водорода. Это области «холодного» газа, в отличие от ярко светящихся областей плазмы HII (ионизированного водорода). В нашей и других галактиках спирального типа такие области связаны со спиральной структурой рукавов, по ним, например, можно составить карту далёкой галактики. Предполагается, что существуют галактики, в которых молекулярного газа очень много по сравнению со звёздной материей. Такие галактики называют «тёмными», поскольку HI не излучает в видимом диапазоне. В этих объектах должна быть значимая доля тёмной материи, помогающей удерживать вместе вещество на расстояниях галактических порядков. Пока что уверенного подтверждения таких галактик нет, хотя рассматриваются несколько кандидатов. Радиотелескопы сантиметрового диапазона, способные систематически сканировать большую часть неба — на сегодня оптимальный инструмент, позволяющий искать и исследовать эти объекты.

Китайский радиотелескоп FAST, или «Сферический телескоп с 500-метровой апертурой» (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope), располагается на юге Китая, в провинции Гуйчжоу. Он был введён в эксплуатацию в 2016 году. Его обычно сравнивают со знаменитым с 1960-х годов телескопом Аресибо в Пуэрто-Рико, который недавно закончил свой жизненный цикл (ранее мы уже писали про телескоп Аресибо и его недавнее обрушение). Оба инструмента имеют похожее строение — это классические антенны-«тарелки», или «телескопы с заполненной апертурой»: приём радиоволн происходит на всей внутренней поверхности антенны. На сегодня это самый большой такой телескоп. Зеркало российского радиотелескопа РАТАН-600 в Карачаево-Черкесии почти на 100 метров больше, но это — телескоп с незаполненной апертурой, то есть вместо всей поверхности тарелки приёмной антенной является только её «ободок». Такие телескопы легче настраивать, направляя приёмные панели на нём в нужную точку неба, и для построения телескопов с большим размером антенны нет таких серьёзных ограничений из-за веса конструкции.

Данные обзора неба FAST HI собирались непрерывно с января 2020 года, когда телескоп «официально» начал полноценную работу. В июне 2019 года был выпущен первый релиз данных. Пока что первый обзор — пилотное исследование для проверки стратегии наблюдений, а также алгоритмов обработки данных, которые будут использоваться в будущих полномасштабных обзорах HI. Статья команды FAST по результатам первого проекта вышла в Research in Astronomy and Astrophysics.

Каталог релиза данных содержит 544 галактики, обнаруженные по излучению молекулярного водорода (областей HI). Наиболее интересный результат работы — 16 источников, для которых нет соответствия в наблюдениях в оптическом диапазоне. Это значит, что FAST может открывать галактики, невидимые в оптические телескопы. Такие объекты представляют интерес с точки зрения теорий образования галактик. Они могут относиться к новому типу галактик, содержащему много тёмной материи и молекулярного газа, но мало звёзд — звёзды в них не могут сформироваться. Космологические модели предсказывают такие типы галактик, но подтвердить их наблюдениями пока не удавалось.

Подтвердить, что «тёмная» галактика действительно не излучает свет в оптическом диапазоне, можно только наблюдениями объектов глубокого космоса на крупных оптических телескопах типа «Хаббла» и его преемников параллельно с обзором FAST HI. Кроме тёмной материи, галактики содержат межзвёздный газ и звёзды. Газ в основном встречается в форме HI, и его можно обнаружить при помощи радиотелескопов по спектру излучения — его характерная длина волны 21 см. Пока что обнаружено 35 тысяч «газовых» галактик. Обзор HI телескопа FAST в принципе способен обнаружить сотни тысяч газовых галактик, а также других экзотических галактических объектов, включая галактики из тёмной материи, галактические приливные хвосты, аккреционные потоки и ультрадиффузные карликовые галактики.