| Название: | Спектроскопия квазаров: межзвездная и межгалактическая среда ранней Вселенной |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-706 - Космология и микрофизика |
| Ключевые слова: | Физика ранней Вселенной, межзвездная и межгалактическая среда, спектроскопия квазаров, абсорбционные системы, молекулярный водород |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Балашев,СА |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 18-72-00110 |
Аннотация
Проект посвящен исследованию межгалактического и межзвёздного вещества в ранней Вселенной. В последнее время стало понятно, что существует тесная взаимосвязь между межгалактической и межзвёздной средой в ранней Вселенной. Одним из факторов связи является процесс звездообразования. Действительно, звёзды образуются в конденсациях межзвёздного газа и посредством обратной связи влияют на химические и физические свойства межзвёздной среды (МЗС). Звёздные ветры и вспышки сверхновых приводят не только к компрессии и возмущениям МЗС, но и к образованию и распространению тяжёлых элементов и пыли, определяющих множество физических свойств газа, таких как тепловой баланс, экранировку от фонового ультрафиолетового излучения и пр. Ультрафиолетовое (УФ) излучение, определяющее ионизационную и фотодиссоционную структуру межзвёздных облаков, также генерируется преимущественно в звёздах. Это приводит к тому, что процессе эволюции галактики, свойства МЗС изменяются со временем, что само собой сильно влияет на продолжающийся процесс звёздообразования. Помимо, этого звездообразование влияет и на межгалактическую среду (МГС), посредством УФ излучения и галактических ветров. УФ излучение, выходящее из галактик ионизует и разогревает, бывшую до этого в основном нейтральной и холодной МГС и приводит к реионизации Вселенной (на красном смещении z~6). Дополнительно, галактические ветра, образующиеся при под воздействием процессов звездообразования, обогащают МГС тяжелыми элементами, что увеличивает темп её охлаждения. Это изменяет физические условия в МГС и увеличивает темп её аккреции на галактики, которая восполняет запасы межзвёздного вещества непрерывно расходующегося на процесс звездообразования в галактиках.
В ранней Вселенной, на красных смещениях z~1-5, происходила эпоха стремительного образования и эволюции галактик. При этом взаимосвязь МГС, МЗС и процесса звездообразования была более тесной, а динамика описанных процессов значительно выше. Однако, в силу технических трудностей, наблюдения и измерения в эту эпоху пока что неполны и недостаточны. Поэтому изучение взаимосвязи МГС, МЗС и процесса звездообразования является актуальной проблемой астрофизики, решение которой необходимо для физически корректного описания эпохи процесса формирования и эволюции галактик во Вселенной.
В проекте предлагается решить несколько частных вопросов, в рамках описанной выше проблемы, для решения которых будет использоваться анализ абсорбционных систем в спектрах квазаров. Межзвёздное вещество (т.е. галактики) в спектрах квазаров идентифицируются в виде, так называемых, DLA системы – насыщенных систем нейтрального водорода. Межгалактическое вещество также оставляет свои "отпечатки" в спектрах квазаров в виде так называемого Лайман-альфа леса. В представленном проекте будут выполнены:
(i) Исследование холодной и плотной фазы межзвёздного вещества в галактиках ранней Вселенной. Эта фаза является стадией эволюции МЗС, непосредственно предшествующей гравитационному коллапсу, приводящему к образованию звёзд. Мы планируем, впервые, выполнить идентификацию линий H2 в композитных (стек) спектрах DLA систем, составленных из усреднения большого количества спектров квазаров, полученных в спектроскопических обзорах неба SDSS и LAMOST. Известно, что молекулярный водород хорошо трасирует холодную фазу МЗС. На основе стек-спектров будет определена частота идентификации молекулярного водорода в DLA системах, и функция распределения DLA систем по лучевым концентрациям H2, а также их эволюция с красным смещением. Это позволит выполнить оценку количества молекулярной фазы межзвёздного вещества, так называемого, Ω(H2) в основной популяции галактик ранней Вселенной. Эта величина является одним из важнейших параметров в современных моделях звёздообразования.
(ii) Разработка процедур поиска и анализа DLA систем (в том числе содержащих H2) с помощью методов машинного и глубокого обучения на основе данных больших спектроскопических и фотометрических обзоров неба SDSS, LAMOST и DES. Спектроскопические данные будут использованы для поиска DLA систем с использованием абсорбционных линии тяжёлых элементов, ассоциированных с DLA системой, а также DLA систем, содержащих молекулярный водород. Фотометрические данные будут использоваться для поиска сверхнасыщенных DLA систем, содержащих H2. Применение методов машинного и глубокого обучения к этим задачам будет выполнено впервые.
(iii) Определение уравнения состояния межгалактического вещества на основе большой выборки спектров квазаров высокого разрешения, полученных за последние 20 лет на крупнейших оптических телескопах. При этом, впервые, мы будем использовать подгонку функции распределения абсорбционных систем по параметрам лучевой концентрации и уширения распределения атомов HI по скоростям. Это позволит существенно уменьшить неопределённости значений определяемых параметров (показателя степенной зависимости температура-плотность и температуры межгалактического вещества, а, следовательно, и фон межгалактического УФ излучения) и выполнить оценку изменения этих параметров с красным смещением.
Ожидаемые результаты
Результаты проекта будут новыми и оригинальными. Будут проведены новые исследования и разработаны процедуры для анализа больших объемов данных крупнейших спектроскопических и фотометрических обзоров неба:
(i) Будут получены стек-спектры DLA систем с большими красными смещениями, на основе спектроскопических обзоров неба SDSS и LAMOST. Произведена идентификация линий молекулярного водорода в стек-спектрах. Выполнена оценка частоты идентификации H2 в DLA системах и функции распределения f_N(H2) DLA систем по лучевым концентрациям H2, а также их эволюции с красным смещением. Будет оценено количество межзвёздного вещества в молекулярной фазе основной популяции галактик ранней Вселенной и его эволюция с красным смещением.
(ii) Будет разработаны методы и выполнен поиск DLA систем (в том числе содержащих H2) с большими красными смещениями c использованием методов машинного и глубокого обучения крупнейших спектроскопических и фотометрических обзорах SDSS, LAMOST и DES.
(iii) Будут определены параметры уравнения состояния межгалактической среды на большом красном смещении на основе анализа большой выборки спектров квазаров (>200) с высоким разрешением, полученных на крупнейших оптических телескопах. Будет выполнена оценка фона межгалактического УФ излучения и влияния реионизации HeII на тепловое состояние межгалактической среды с помощью исследования измерения эволюции уравнения состояния межгалактической среды.
Выполнение этих исследований даёт существенный вклад в изучение взаимосвязи межзвёздного и межгалактического вещества в эпоху формирования и эволюции галактик ранней Вселенной. Значительная часть работы по проекту основана на архивных (находящихся в открытом доступе) данных обзоров неба SDSS, LAMOST и DES, а также спектров, полученных на телескопах VLT и Keck. Руководитель имеет большой опыт проведения наблюдений и анализа спектров квазаров, поэтому, решение представленных задач является достижимым.
