Usando datos del instrumento MUSE, Los investigadores del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) lograron detectar nebulosas planetarias extremadamente débiles en galaxias distantes. El método utilizado, un algoritmo de filtro en el procesamiento de datos de imágenes, abre nuevas posibilidades para la medición de la distancia cósmica y, por lo tanto, también para determinar la constante de Hubble.

Las nebulosas planetarias se conocen en la vecindad del sol como objetos coloridos que aparecen al final de la vida de una estrella a medida que evoluciona de la etapa de gigante roja a enana blanca:cuando la estrella ha agotado su combustible para la fusión nuclear, sopla su envoltura de gas hacia el espacio interestelar, contratos, se vuelve extremadamente caliente, y excita la envoltura de gas en expansión para que brille. A diferencia del espectro continuo de la estrella, los iones de ciertos elementos en esta envoltura de gas, como el hidrógeno, oxígeno, helio y neón, emiten luz solo en ciertas longitudes de onda. Los filtros ópticos especiales sintonizados con estas longitudes de onda pueden hacer visibles las tenues nebulosas. El objeto más cercano de este tipo en nuestra Vía Láctea es la Nebulosa Helix, 650 años luz de distancia.

A medida que aumenta la distancia de una nebulosa planetaria, el diámetro aparente de una imagen se reduce, y el brillo aparente integrado disminuye con el cuadrado de la distancia. En nuestra galaxia vecina, la galaxia de Andrómeda, a una distancia casi 4000 veces mayor, la Nebulosa Helix solo sería visible como un punto, y su brillo aparente sería casi 15 millones de veces más débil. Con grandes telescopios modernos y largos tiempos de exposición, No obstante, estos objetos pueden formarse imágenes y medirse utilizando filtros ópticos o espectroscopía de imágenes. Martin Roth, primer autor del nuevo estudio y jefe del departamento innoFSPEC en AIP:"Utilizando el instrumento PMAS desarrollado en AIP, Logramos hacer esto por primera vez con espectroscopía de campo integral para un puñado de nebulosas planetarias en la Galaxia de Andrómeda entre 2001 y 2002 en el telescopio de 3.5 m del Observatorio de Calar Alto. Sin embargo, el campo de visión relativamente pequeño del PMAS no permitía todavía investigar una muestra más grande de objetos ".

Se necesitaron unos buenos 20 años para desarrollar estos primeros experimentos utilizando un instrumento más potente con un campo de visión 50 veces mayor en un telescopio mucho más grande. MUSE en el Very Large Telescope en Chile fue desarrollado principalmente para el descubrimiento de objetos extremadamente débiles en el borde del universo actualmente observables para nosotros, y ha producido resultados espectaculares para este propósito desde las primeras observaciones. Es precisamente esta propiedad la que también entra en juego en la detección de PN extremadamente débiles en una galaxia distante.

La galaxia NGC 474 es un ejemplo particularmente bueno de una galaxia que, por colisión con otros, galaxias más pequeñas, ha formado una conspicua estructura de anillo a partir de las estrellas esparcidas por efectos gravitacionales. Se encuentra a unos 110 millones de años luz de distancia, que es alrededor de 170, 000 veces más lejos que la Nebulosa Helix. El brillo aparente de una nebulosa planetaria en esta galaxia es, por lo tanto, casi 30 mil millones de veces menor que el de la Nebulosa Helix y está en el rango de galaxias cosmológicamente interesantes para las que el equipo diseñó el instrumento MUSE.

Un equipo de investigadores de la AIP, junto con colegas de EE. UU., ha desarrollado un método para utilizar MUSE para aislar y medir con precisión las señales extremadamente débiles de nebulosas planetarias en galaxias distantes con alta sensibilidad. Un algoritmo de filtro particularmente eficaz en el procesamiento de datos de imágenes juega un papel importante aquí. Para la galaxia anular NGC 474, Los datos del archivo de ESO estaban disponibles, basado en dos exposiciones MUSE muy profundas con 5 horas de tiempo de observación cada una. El resultado del procesamiento de datos:después de aplicar el algoritmo de filtro, Un total de 15 nebulosas planetarias extremadamente débiles se hicieron visibles.

Este procedimiento altamente sensible abre un nuevo método para la medición de distancias que es adecuado para contribuir a la solución de la discrepancia discutida actualmente en la determinación de la constante de Hubble. Las nebulosas planetarias tienen la propiedad de que, físicamente, no se puede superar una determinada luminosidad máxima. La función de distribución de las luminosidades de una muestra en una galaxia, es decir, la función de luminosidad de las nebulosas planetarias (PNLF), se interrumpe en el extremo brillante. Esta propiedad es la de una vela estándar, que se puede utilizar para calcular una distancia mediante métodos estadísticos. El método PNLF ya fue desarrollado en 1989 por los miembros del equipo George Jacoby (NOIRLab de NSF) y Robin Ciardullo (Penn State University). Se ha aplicado con éxito a más de 50 galaxias durante los últimos 30 años, pero estaba limitado por las medidas de filtro utilizadas hasta ahora. Las galaxias con distancias mayores que las de los cúmulos de Virgo o Fornax estaban más allá del rango. El estudio, ahora publicado en el Diario astrofísico , muestra que MUSE puede alcanzar más del doble de alcance, permitiendo una medición independiente de la constante de Hubble.