Câmpul profund Hubble ( HDF ) este o imagine a unei zone mici din constelația Ursa Major luată de Telescopul Spațial Hubble . Zona vizibilă în imagine este egală cu 5,3 minute pătrate de arc [1] , ceea ce reprezintă aproximativ 1⁄ 28.000.000 din aria sferei cerești. Imaginea a fost asamblată din 342 de imagini individuale preluate de la Wide Field and Planetary Camera 2 ( Eng. Wide Field and Planetary Camera 2 - WFPC2 ) instalate pe telescopul Hubble. Imaginea a fost construită pe parcursul mai multor zile - de la 18 decembrie până la 28 decembrie 1995 [2] .
Regiunea este atât de mică încât doar câteva stele din prim plan din Calea Lactee se află în ea. Astfel, aproape toate cele 3000 de obiecte din imagine sunt galaxii .
În 2004, a fost construită o imagine mai profundă, cunoscută sub numele de Hubble Ultra Deep Field (HUDF) [3] . Crearea sa a durat unsprezece zile de observare. În 2012, a fost lansată o nouă imagine și mai profundă - Hubble Extreme Deep Field (XDF), care a devenit cea mai profundă și mai sensibilă imagine astronomică realizată vreodată în lungimi de undă vizibile [4] .
Unul dintre obiectivele cheie ale astronomilor care au proiectat Telescopul Spațial Hubble a fost acela de a utiliza rezoluția optică înaltă a telescopului pentru a studia galaxiile îndepărtate cu detalii foarte fine, care nu erau disponibile înainte [1] . Un telescop în spațiu, spre deosebire de telescoapele de la sol, nu este afectat de distorsiunea atmosferică. Acest lucru face posibilă obținerea de imagini cu o sensibilitate mult mai mare în spectrele vizibile și ultraviolete decât imaginile obținute de pe suprafața Pământului . Deoarece calea luminii din galaxiile foarte îndepărtate durează milioane și miliarde de ani, le vedem așa cum erau cu mult timp în urmă. Studiile de acest fel oferă o idee mai bună despre originea, evoluția și dezvoltarea galaxiilor [5] .
Zona aleasă pentru observații trebuia să îndeplinească mai multe criterii:
Aceste criterii au limitat semnificativ zonele care pot fi observate [1] .
S-a hotărât ca ținta să se afle în „zona de observație contiguă” (CVZ) a telescopului Hubble - regiunea cerului care nu este ascunsă de Pământ sau Lună pe măsură ce telescopul orbitează . Grupul de lucru a decis să se concentreze asupra „zonei de observație contigue” din nord, astfel încât observațiile ulterioare să poată fi făcute folosind telescoape din emisfera nordică, cum ar fi Very Large Array și Keck Observatory Telescope [1] [6] .
Inițial, au fost găsite douăzeci de zone care îndeplineau toate aceste criterii, dintre care au fost selectate trei zone optime. Toate zonele selectate se aflau în constelația Ursa Major. Observații radio ulterioare au exclus una dintre aceste regiuni, care conținea o sursă radio strălucitoare. Decizia finală în alegerea dintre cele două zone rămase a fost luată ținând cont de „ stelele de navigație ” situate în apropierea uneia dintre ele: observațiile cu telescopul Hubble necesită de obicei prezența mai multor stele învecinate, conform cărora senzorii de poziționare fină ai telescopului ( ing. Senzori de ghidare fine ) captează zona de observație. În final, a fost aleasă o regiune situată în ascensiune dreaptă 12 h 36 m 49,4 s și în declinare +62° 12′ 58″ [7] .
După ce s-au hotărât asupra domeniului de observație, oamenii de știință au început să-și dezvolte metodologia. A fost necesar să se determine care dintre cele 48 de filtre (inclusiv filtre de bandă îngustă, de izolare a liniilor spectrale specifice și filtre de bandă largă) echipate cu WFPC2 să fie utilizate pentru observații. Alegerea depindea de „ lățimea de bandă ” a fiecărui filtru. Utilizarea filtrelor trece-bandă a fost extrem de nedorită.
Drept urmare, au fost alese patru filtre de bandă largă: 300 nm, 450 nm (lumină albastră), 606 nm (lumină roșie) și 814 nm [8] . Deoarece eficiența cuantică a senzorilor Hubble este foarte scăzută la 300 nm, zgomotul din observațiile la această lungime de undă se datorează în primul rând zgomotului CCD , mai degrabă decât zgomotului de fundal al cerului. Astfel, aceste observații ar putea fi făcute atunci când zgomotul de fond ridicat ar dăuna performanței observațiilor în alte lățimi de bandă.
Imaginile zonei țintă folosind filtrele selectate au fost obținute pe parcursul a zece zile de observații continue, timp în care Hubble a înconjurat Pământul pe orbita sa de aproximativ 150 de ori [9] . Timpul total de observare la fiecare lungime de undă a fost: 48,93 [10] ore (300 nm), 36,52 [10] ore (450 nm), 34,94 [10] ore (606 nm) și 34,86 [10]] ore (814 nm). Observațiile au fost împărțite în 342 de „etape” separate pentru a preveni deteriorarea semnificativă a anumitor zone ale imaginii de către benzi luminoase, care se formează atunci când razele cosmice acționează asupra senzorilor matricei CCD.
În procesul de combinare a imaginilor obţinute la diferite lungimi de undă , pixelii care au fost expuşi la raze cosmice au fost îndepărtaţi . Compararea mai multor imagini luate secvenţial a relevat pixeli afectaţi de razele cosmice într-o imagine, dar neafectaţi în alta. Urmele de resturi spațiale și sateliți artificiali au fost, de asemenea, îndepărtate cu grijă din imagini. [1] [11] [12]
Aproximativ un sfert dintre fragmente au arătat clar lumina împrăștiată de pe Pământ. Pentru a scăpa de defectul de luminozitate, aceste fragmente au fost aliniate la nivelul imaginilor neafectate de lumina împrăștiată. Imaginea rezultată a fost netezită. Cu această procedură, aproape toată lumina parazită a fost eliminată din imagini. [1] [10] [13]
După ce defectele au fost eliminate din 342 de imagini separate, acestea au fost combinate într-una singură. Fiecare pixel al matricei CCD de pe WFPC2 corespundea unei zone de 0,09 secunde de arc . Fiecare imagine ulterioară s-a suprapus parțial pe cea anterioară. Cu ajutorul unor metode sofisticate de procesare (algoritm special „ Drizzle ” [14] [15] ) imaginile au fost combinate, iar în imaginea finală în fiecare lungime de undă dimensiunea pixelului a fost de 0,04 secunde de arc [15] [16] .
Procesarea datelor a făcut posibilă obținerea a patru imagini monocrome , câte una la fiecare lungime de undă. Combinarea lor într-o imagine color a fost un proces arbitrar, deoarece lungimile de undă în care au fost făcute imaginile nu se potrivesc cu lungimile de undă ale luminii roșii, verzi și albastre. Culorile din imaginea finală oferă doar o aproximare a culorilor reale ale galaxiilor. Alegerea filtrelor pentru HDF (ca și în cazul majorității imaginilor Hubble) a vizat în primul rând maximizarea utilității științifice a observațiilor, mai degrabă decât transmiterea potrivirilor de culori percepute vizual. [17]
Imaginea finală conține imagini cu aproximativ 3.000 de galaxii, variind de la galaxii neregulate și spiralate pronunțate în prim-plan până la abia vizibile, de doar câțiva pixeli, în fundal. În general, pe HDF, probabil, există mai puțin de o duzină de stele din prim-plan, în timp ce majoritatea obiectelor sunt galaxii îndepărtate. Multe galaxii interacționează între ele, formând lanțuri și arce și este probabil să fie zone de formare intensă a stelelor.
Datele din imaginea HDF au oferit oamenilor de știință o mulțime de materiale pentru analiză. Începând cu anul 2005, în literatura astronomică au apărut aproximativ 400 de lucrări (studii, articole) bazate pe HDF. Unul dintre cele mai fundamentale rezultate a fost descoperirea unui număr mare de galaxii cu deplasare către roșu . La acea vreme, se cunoșteau un număr mare de quasari cu deplasare spre roșu mare , în timp ce foarte puține galaxii cu deplasare spre roșu mare erau cunoscute. Există multe galaxii în imaginea HDF cu o valoare de deplasare spre roșu mai mare de 6, aproximativ echivalentă cu o distanță de 12 miliarde de ani lumină . Cele mai îndepărtate obiecte din regiunea HDF nu sunt vizibile în imaginile Hubble și pot fi detectate doar în imaginile luate la alte lungimi de undă de telescoape de la sol. [optsprezece]
Imaginea HDF conține un număr mare de galaxii neregulate . Se crede că galaxiile eliptice gigantice se formează în procesul de interacțiune dintre galaxiile spirale și neregulate. Un set extins de galaxii aflate în diferite stadii ale dezvoltării lor a permis astronomilor să obțină noi informații despre procesele de formare a stelelor .
De mulți ani, astronomii s-au nedumerit cu privire la natura materiei întunecate , a cărei masă nu poate fi detectată, dar care reprezintă aproximativ 23% [19] din masa Universului conform observațiilor și calculelor, precum și a energiei întunecate , care a o presiune negativa si umple uniform intregul spatiu al Universului . Energia întunecată reprezintă 72% [19] din toate componentele Universului.
O teorie este că materia întunecată ar putea fi alcătuită din obiecte masive astrofizice compacte - obiecte masive slab luminoase, cum ar fi piticele roșii din regiunile exterioare ale galaxiilor. Această teorie nu a fost susținută de imaginea HDF; nu s-au găsit pe ea un număr mare de pitici roșii.
HDF este un reper în cosmologia observațională și până acum o mare parte din această zonă nu a fost studiată. Din 1995, au fost efectuate numeroase studii și observații atât cu telescoapele terestre, cât și cu cele spațiale într-o gamă largă de unde: de la unde radio la raze X. [18] [20]
Multe obiecte cu deplasare spre roșu mare au fost detectate în regiunea HDF folosind telescoape de la sol, în special telescopul James Clerk Maxwell [ 1 ] . Deplasarea mare spre roșu a acestor obiecte a făcut imposibilă detectarea lor în intervalul de lungimi de undă vizibile și doar observațiile la alte lungimi de undă (unde infraroșii, submilimetrice) au făcut posibil acest lucru. [1] [6]
Observațiile Observatorului Spațial Infraroșu ( ISO ) au detectat emisii de infraroșu din 13 galaxii vizibile în imagini optice. Aceste galaxii conțin o cantitate mare de „praf interstelar”, care este asociat cu formarea intensă a stelelor. Imaginile radio realizate folosind instrumente de la sol, cum ar fi VLA , au dezvăluit 5 surse radio [21] în HDF (inițial 14 [22] , dar doar 5 au rămas din cauza erorilor de observație), fiecare corespunzând unei galaxii în intervalul de lungimi de undă vizibile.
În 1998, a fost creată o imagine similară cu HDF, dar situată în emisfera sudică a cerului - Hubble Deep Field South . Imaginea a fost creată prin analogie cu HDF și aceeași metodă. Imaginea rezultată s-a dovedit a fi foarte asemănătoare cu HDF, care confirmă principiul cosmologic , care vorbește despre omogenitatea universului la scară globală.
| Telescopul spațial Hubble | |
|---|---|
| Instrumentele de la bord |
|
| Instrumente eliminate |
|
| misiuni de navetă |
|
| Imagini notabile (în paranteze sunt anii de achiziție a datelor) |
|
| Legate de | |