Utilizzando i dati dello strumento MUSE, i ricercatori dell'Istituto Leibniz per l'astrofisica di Potsdam (AIP) sono riusciti a rilevare nebulose planetarie estremamente deboli in galassie lontane. Il metodo utilizzato, un algoritmo di filtro nell'elaborazione dei dati di immagine, apre nuove possibilità per la misurazione della distanza cosmica e quindi anche per determinare la costante di Hubble.

Le nebulose planetarie sono conosciute nelle vicinanze del sole come oggetti colorati che appaiono alla fine della vita di una stella mentre si evolve dallo stadio di gigante rossa a nana bianca:quando la stella ha esaurito il suo combustibile per la fusione nucleare, soffia via il suo involucro di gas nello spazio interstellare, contratti, diventa estremamente caldo, ed eccita l'involucro di gas in espansione a brillare. A differenza dello spettro continuo della stella, gli ioni di alcuni elementi in questo involucro di gas, come l'idrogeno, ossigeno, elio e neon, emettono luce solo a determinate lunghezze d'onda. Filtri ottici speciali sintonizzati su queste lunghezze d'onda possono rendere visibili le nebulose deboli. L'oggetto di questo tipo più vicino nella nostra Via Lattea è la Nebulosa Elica, 650 anni luce di distanza.

All'aumentare della distanza di una nebulosa planetaria, il diametro apparente in un'immagine si restringe, e la luminosità apparente integrata diminuisce con il quadrato della distanza. Nella nostra galassia vicina, la Galassia di Andromeda, a una distanza quasi 4000 volte maggiore, la Nebulosa Elica sarebbe visibile solo come un punto, e la sua luminosità apparente sarebbe quasi 15 milioni di volte più debole. Con i moderni grandi telescopi e i lunghi tempi di esposizione, tali oggetti possono tuttavia essere ripresi e misurati utilizzando filtri ottici o spettroscopia di imaging. Martin Roth, primo autore del nuovo studio e capo del dipartimento innoFSPEC presso AIP:"Utilizzando lo strumento PMAS sviluppato presso AIP, siamo riusciti a farlo per la prima volta con la spettroscopia di campo integrale per una manciata di nebulose planetarie nella Galassia di Andromeda nel 2001 al 2002 sul telescopio da 3,5 m dell'Osservatorio di Calar Alto. Però, il campo visivo relativamente piccolo del PMAS non ha ancora permesso di investigare un campione più ampio di oggetti."

Ci sono voluti 20 anni buoni per sviluppare ulteriormente questi primi esperimenti utilizzando uno strumento più potente con un campo visivo più di 50 volte più grande su un telescopio molto più grande. MUSE al Very Large Telescope in Cile è stato sviluppato principalmente per la scoperta di oggetti estremamente deboli ai margini dell'universo attualmente osservabili da noi e ha prodotto risultati spettacolari a questo scopo sin dalle prime osservazioni. È proprio questa proprietà che entra in gioco anche nel rilevamento di PN estremamente deboli in una galassia lontana.

La galassia NGC 474 è un esempio particolarmente raffinato di una galassia che, per collisione con altri, galassie più piccole, ha formato una cospicua struttura ad anello dalle stelle disperse dagli effetti gravitazionali. Si trova a circa 110 milioni di anni luce di distanza, che è circa 170, 000 volte più lontano della Nebulosa Elica. La luminosità apparente di una nebulosa planetaria in questa galassia è quindi quasi 30 miliardi di volte inferiore a quella della Nebulosa Elica e rientra nella gamma di galassie cosmologicamente interessanti per le quali il team ha progettato lo strumento MUSE.

Un team di ricercatori dell'AIP, insieme ai colleghi degli Stati Uniti, ha sviluppato un metodo per utilizzare MUSE per isolare e misurare con precisione i segnali estremamente deboli delle nebulose planetarie in galassie lontane con un'elevata sensibilità. Un algoritmo di filtro particolarmente efficace nell'elaborazione dei dati delle immagini svolge un ruolo importante in questo caso. Per la galassia ad anello NGC 474, I dati dell'archivio dell'ESO erano disponibili, basato su due esposizioni MUSE molto profonde con 5 ore di osservazione ciascuna. Il risultato dell'elaborazione dei dati:dopo aver applicato l'algoritmo di filtro, un totale di 15 nebulose planetarie estremamente deboli sono diventate visibili.

Questa procedura altamente sensibile apre un nuovo metodo per la misurazione della distanza che è adatto a contribuire alla soluzione della discrepanza attualmente discussa nella determinazione della costante di Hubble. Le nebulose planetarie hanno la proprietà che, fisicamente, una certa luminosità massima non può essere superata. La funzione di distribuzione delle luminosità di un campione in una galassia, cioè la funzione di luminosità delle nebulose planetarie (PNLF), si interrompe alla fine luminosa. Questa proprietà è quella di una candela standard, che può essere utilizzato per calcolare una distanza con metodi statistici. Il metodo PNLF è stato sviluppato già nel 1989 dai membri del team George Jacoby (NOIRLab di NSF) e Robin Ciardullo (Penn State University). È stato applicato con successo a più di 50 galassie negli ultimi 30 anni, ma è stato limitato dalle misurazioni del filtro utilizzate finora. Le galassie con distanze maggiori di quella degli ammassi della Vergine o della Fornace erano fuori portata. Lo studio, ora pubblicato in Giornale Astrofisico , mostra che MUSE può raggiungere più del doppio della portata, consentendo una misurazione indipendente della costante di Hubble.