Обнаружение воды в ранней Вселенной с помощью гравитационного линзирования.

Исследовательская группа Радиоастрономического института имени Макса Планка, возглавляемая Violette Impellizzeri, с помощью 100-метрового радиотелескопа в Эффельсберге обнаружила излучение водяного мазера в квазаре MG J0414+0534, имеющего красное смещение z = 2.64 (что соответствует расстоянию в 11,1 миллиардов лет), т.е. когда Вселенная имела возраст в пять раз меньше, чем сейчас.

Объект MG J0414+0534 представляет собой квадрупольную гравитационную линзу, которая была открыта Hewitt et al. в 1992 году. Это - квазар, имеющий красное смещение z = 2.64, изображение которого искажено галактикой (z = 0.96), находящейся на луче зрения в направлении на наблюдателя на Земле.

Наблюдения проводились с использованием 100-метрового радиотелескопа в Эффельсберге (с учетом величины красного смещения частота наблюдений составила 6.1 ГГц, а не 22.2 ГГц, которая соответствует частоте излучения H2O). Полученный радиоспектр представлен на рис.1. Измеренная линия излучения не может быть связана с более близкой линзирующей галактикой, т.к. на соответствующей частоте 11.975 ГГц ( z = 0.96) не обнаружено сильных известных линий излучения. Для наблюдаемого мазерного излучения требуется температура среды больше 300 К и плотность частиц n(H2) > 107cм -3.

Рисунок 1. Спектр квазара MG J0414+0534 на частоте 6.1 ГГц с линией мазерного излучения H2O. (Изображение: Milde Science Communication, STScI, CFHT, J.-C. Cuillandre, Coelum).

Для подтверждения результата, а также пространственной привязки к оптическому объекту, были проведены интерферометрические радионаблюдения на Expanded Very Large Array. Было зафиксировано излучение от двух из четырех самых ярких изображений (А1 и А2 на рис.2). Чувствительности измерений не хватило обнаружения мазерного излучения от других двух более слабых изображений В и С. Надо отметить, что мазерные линии H2O по измеренным скоростям совпадают с ранее обнаруженным излучением в этом же квазаре линий СО и линией поглощения HI.

Рисунок 2. Изображение MG J0414+0534. В центре - оптическое изображение квадрупольной гравитационной линзы (линзирующая галактике и 4 изображения квазара), полученное с помощью телескопа Хаббла, на врезках - радиоизображение каждого пятна, полученное с помощью VLBI (Изображение: Ros et. al. (2000) Astronomy & Astrophysics, 362, 845).

H2O-мазеры были найдены в плотных молекулярных облаках, расположенных вблизи сверхмассивных черных дыр в центре активных галактик. Зная функцию светимости таких мазеров можно было бы сделать предположение, что мазеры на больших красных смещениях должны встречаться достаточно редко. Но оценка изотропной светимости открытого мазера составляет 10 000 Lʘ, что вдвое превышает мощность известных мазеров на близких расстояниях. По оценкам авторов работы вероятность найти мазер такой светимости в случайно выбранной активной галактике составляет всего 10-6. То, что такой мазер был найден в первой же выбранной гравитационной линзе, наводит на мысль, что в более ранней Вселенной объемная плотность и светимость таких объектов были существенно выше.

H2O-мазеры обнаружены примерно в 100 галактиках (в основном это Сейфертовские галактики типа 2), расположенных на более близких расстояниях (до z = 0,06). В общепринятой модели внегалактических источников, объектов типа 2, оптический спектр соответствует излучению диска, видимого с ребра. Однако, квазар MG J0414+0534 относится с типу 1 активных галактических ядер. Это может означать, что мазерное излучение сосредоточено в релятивистском джете, излучающем в направлении Земли.

В галактике на большом расстоянии, даже если излучение на радиоволнах вызвано мазерным эффектом, мощности излучения может быть недостаточно обнаружения его с помощью радиотелескопов. Обнаружение воды в ранней Вселенной стало возможным только благодаря тому, что удаленный квазар MG J0414 +0534 и более близкая галактика оказались на одной прямой - луче зрения наблюдателя. Гравитационное поле этой галактики послужило в качестве линзы излучения более удаленного квазара и дало возможность увидеть излучение молекул воды радиотелескопами. Без такого эффекта гравитационного линзирования понадобилось бы 580 дней непрерывных наблюдений на 100-метровом телескопе; в данном случае этот же эффект был получен всего за 14 часов.

К сожалению, обнаружение воды в далеких галактик может быть по-прежнему сложным из-за ограничений, накладываемых чувствительностью телескопов. Первый внегалактический H2O-мазер был найден с помощью 100-метрового радиотелескопа в 1977 году (в близлежащей галактике M33). В 2003 году мегамазер на водяных парах был обнаружен в галактике 3C 403. На тот момент это была самая далекая галактика с наличием воды. Позже этот титул был присвоен галактике с z = 0.66, (расстояние в 6 млрд. лет). Теперь же MG J0414 +0534 (z = 2.64) получил статус самого удаленного "водного" объекта.

Последующие наблюдения H2O-мазеров с помощью VLBI дадут возможность определить очень точно локализацию излучения относительно структуры ядро-джет. На частоте 6 ГГц угловое разрешение этого метода составляет 2 mas, что z = 2.64 соответствует 15 пс. Но случай MG J0414 +0534 особенный: из-за увеличения, создаваемого линзой, разрешение увеличивается в 15 раз. Таким образом, пространственное разрешение изображение будет достигать 1 пс. Это дает очень хороший способ заглянуть в субпарсекные структуры аккреционного диска внегалактических объектов на космологических расстояниях и открывает новые интересные горизонты изучения сверхмассивных черных дыр в моменты формирования галактик.

Результаты этой работы опубликованы в журнале Nature (18 декабря 2008).