Źródło zdjęcia: ESO
Chociaż wszechświat ma obecnie ogólnie beżowy kolor, był bardziej niebieski, zdaniem astronomów z Europejskiego Obserwatorium Południowego. Astronomowie obliczyli odległość i kolor do 300 galaktyk zawartych w badaniu Hubble Deep Sky, które pozwoliło przyjrzeć się obszarowi nieba w południowej konstelacji Tuscanae.
Międzynarodowy zespół astronomów [1] określił kolor Wszechświata, gdy był on bardzo młody. Podczas gdy Wszechświat jest teraz trochę beżowy, w dalekiej przeszłości był znacznie bardziej niebieski, w czasach, gdy miał zaledwie 2500 milionów lat.
Jest to wynik obszernej i dokładnej analizy ponad 300 galaktyk widocznych w małym obszarze południowego nieba, tak zwanym głębokim polu południowym Hubble'a. Głównym celem tego zaawansowanego badania było zrozumienie, w jaki sposób gwiezdna zawartość Wszechświata została zmontowana i zmieniła się w czasie.
Holenderski astronom Marijn Franx, członek zespołu z Leiden Observatory (Holandia), wyjaśnia: „Niebieski kolor wczesnego Wszechświata jest spowodowany głównie niebieskim światłem młodych gwiazd w galaktykach. Bardziej czerwony kolor czasopisma Space Magazine jest spowodowany relatywnie większą liczbą starszych, bardziej czerwonych gwiazd. ”
Lider zespołu, Gregory Rudnick z Max-Planck Institut für Astrophysics (Garching, Niemcy) dodaje: „Ponieważ całkowita ilość światła we Wszechświecie w przeszłości była mniej więcej taka sama jak dzisiaj, a młoda niebieska gwiazda emituje znacznie więcej światło niż stara czerwona gwiazda, musiało być znacznie mniej gwiazd w młodym Wszechświecie, niż jest teraz. Nasze nowe odkrycia wskazują, że większość gwiazd we Wszechświecie uformowała się stosunkowo późno, nie na długo przed narodzinami Słońca, w momencie, gdy Wszechświat miał około 7 000 milionów lat. ”
Te nowe wyniki są oparte na unikatowych danych zebranych podczas ponad 100 godzin obserwacji przy pomocy wielomodowego instrumentu ISAAC w Very Large Telescope (VLT) ESO, w ramach dużego projektu badawczego Faint InfraRed Extragalactic Survey (FIRES). Odległości do galaktyk oszacowano na podstawie ich jasności w różnych pasmach optycznych bliskiej podczerwieni.
Obserwowanie wczesnego Wszechświata
Obecnie wiadomo, że Słońce powstało około 4,5 miliarda lat temu. Ale kiedy powstało większość innych gwiazd w naszej domowej galaktyce? A co z gwiazdami w innych galaktykach? To niektóre z kluczowych pytań współczesnej astronomii, ale można na nie odpowiedzieć tylko za pomocą obserwacji z największymi teleskopami na świecie.
Jednym ze sposobów rozwiązania tych problemów jest bezpośrednia obserwacja bardzo młodego Wszechświata - patrząc wstecz. W tym celu astronomowie wykorzystują fakt, że światło emitowane przez bardzo odległe galaktyki podróżuje na długo przed dotarciem do nas. Kiedy więc astronomowie patrzą na takie odległe obiekty, widzą je tak, jak wyglądały dawno temu.
Te odległe galaktyki są jednak bardzo słabe, dlatego te obserwacje są technicznie trudne. Inną komplikacją jest to, że z powodu ekspansji Wszechświata światło z tych galaktyk jest przesuwane w kierunku dłuższych fal [2] poza zakres długości fal optycznych i do regionu podczerwieni.
Aby szczegółowo zbadać te wczesne galaktyki, astronomowie muszą zatem korzystać z największych teleskopów naziemnych, zbierając słabe światło podczas bardzo długich ekspozycji. Ponadto muszą stosować detektory czułe na podczerwień.
Teleskopy jak wielkie oczy
„Hubble Deep Field South (HDF-S)” to bardzo mała część nieba w południowej konstelacji Tucanae („Tukan”). Został wybrany do bardzo szczegółowych badań za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (HST) i innych potężnych teleskopów. Obrazy optyczne tego pola uzyskane przez HST przedstawiają całkowity czas ekspozycji 140 godzin. Wiele teleskopów naziemnych uzyskało również obrazy i widma obiektów na tym obszarze nieba, w szczególności teleskopy ESO w Chile.
Obszar nieba o wymiarach 2,5 x 2,5 arcmin2 w kierunku HDF-S zaobserwowano w kontekście dokładnego badania (Faint InfraRed Extragalactic Survey; FIRES, patrz ESO PR 23/02). Jest nieco większy niż pole pokryte kamerą WFPC2 na HST, ale wciąż 100 razy mniejszy niż obszar objęty pełnią księżyca.
Ilekroć to pole było widoczne z Obserwatorium Paranal ESO, a warunki atmosferyczne były optymalne, astronomowie ESO wskazywali 8,2-metrowy teleskop VLT ANTU w tym kierunku, robiąc zdjęcia w bliskiej podczerwieni przy pomocy wielomodowego instrumentu ISAAC. W sumie pole obserwowano przez ponad 100 godzin, a uzyskane zdjęcia (patrz ESO PR 23/02) są najgłębszymi widokami naziemnymi w pasmach Js i H w bliskiej podczerwieni. Obraz w paśmie Ks jest najgłębszym jak dotąd uzyskanym polem nieba w tym paśmie widmowym, zarówno z ziemi, jak i z kosmosu.
Te unikalne dane zapewniają wyjątkowy widok i pozwoliły na bezprecedensowe badania populacji galaktyk w młodym Wszechświecie. Rzeczywiście, ze względu na wyjątkowe warunki widzenia w Paranal, dane uzyskane za pomocą VLT mają doskonałą ostrość obrazu („widzenie” 0,48 sekundy kątowej) i mogą być łączone z danymi optycznymi HST bez prawie żadnej utraty jakości.
Niebiesszy kolor
Astronomowie byli w stanie jednoznacznie wykryć na tych obrazach około 300 galaktyk. Dla każdego z nich zmierzyli odległość, określając przesunięcie ku czerwieni [2]. Dokonano tego za pomocą nowo ulepszonej metody opartej na porównaniu jasności każdego obiektu we wszystkich poszczególnych pasmach widmowych z jasnością zestawu pobliskich galaktyk.
W ten sposób znaleziono galaktyki na polu z przesunięciami ku czerwieni do z = 3,2, co odpowiada odległościom około 11 500 milionów lat świetlnych. Innymi słowy, astronomowie widzieli światło tych bardzo odległych galaktyk, jak wtedy, gdy Wszechświat miał zaledwie około 2,2 miliarda lat.
Astronomowie następnie określili ilość światła emitowanego przez każdą galaktykę w taki sposób, że skutki przesunięcia ku czerwieni zostały „usunięte”. Oznacza to, że zmierzyli ilość światła o różnych długościach fal (kolorach), tak jak obserwowałby to obserwator w pobliżu tej galaktyki. Odnosi się to oczywiście tylko do światła gwiazd, które nie są silnie przysłonięte przez pył.
Podsumowując światło emitowane przy różnych długościach fal przez wszystkie galaktyki w danej epoce kosmicznej, astronomowie mogli następnie określić średni kolor Wszechświata („kolor kosmiczny”) w tej epoce. Co więcej, byli w stanie zmierzyć, jak zmienił się ten kolor, gdy Wszechświat się zestarzał.
Wnioskują, że kosmiczny kolor z czasem staje się bardziej czerwony. W szczególności w przeszłości było znacznie bardziej niebiesko; teraz, w wieku prawie 14 000 milionów lat, Wszechświat ma rodzaj beżowego koloru.
Kiedy powstały gwiazdy?
Zmiana kosmicznego koloru w czasie może sama w sobie być interesująca, ale jest także niezbędnym narzędziem do określania, jak szybko gwiazdy były składane we Wszechświecie.
Rzeczywiście, podczas gdy formowanie się gwiazd w poszczególnych galaktykach może mieć skomplikowane historie, czasem przyspieszając do prawdziwych „wybuchów gwiazd”, nowe obserwacje - teraz oparte na wielu galaktykach - pokazują, że „przeciętna historia” formowania się gwiazd we Wszechświecie jest o wiele prostsze. Widać to po zaobserwowanej, płynnej zmianie kosmicznego koloru, gdy Wszechświat zestarzał się.
Za pomocą kosmicznego koloru astronomowie byli również w stanie określić, jak zmieniał się z czasem średni wiek względnie niezakłóconych gwiazd we Wszechświecie. Ponieważ Wszechświat był o wiele bardziej niebieski w przeszłości niż obecnie, doszli do wniosku, że Wszechświat nie wytwarza obecnie tylu gwiazd niebieskich (o dużej masie, krótkotrwałych) jak kiedyś, a jednocześnie czerwonych (o niskiej masie) , długo żyjące) gwiazdy z wcześniejszych generacji formowania gwiazd są nadal obecne. Niebieskie gwiazdy masywne umierają szybciej niż czerwone gwiazdy o niskiej masie, a zatem wraz ze wzrostem wieku grupy gwiazd umierają niebieskie gwiazdy krótkotrwałe, a średni kolor grupy staje się bardziej czerwony. Podobnie wszechświat jako całość.
Zachowanie to w pewnym stopniu przypomina trend starzenia się we współczesnych krajach zachodnich, w których rodzi się mniej dzieci niż w przeszłości, a ludzie żyją dłużej niż w przeszłości, z całkowitym skutkiem wzrostu średniego wieku populacji.
Astronomowie ustalili, ile gwiazd już powstało, gdy Wszechświat miał zaledwie około 3000 milionów lat. Młode gwiazdy (koloru niebieskiego) emitują więcej światła niż starsze (bardziej czerwone) gwiazdy. Ponieważ jednak w młodym Wszechświecie było prawie tyle światła, ile jest dzisiaj - chociaż galaktyki są teraz znacznie bardziej czerwone - oznacza to, że we wczesnym Wszechświecie było mniej gwiazd niż dzisiaj. Niniejsze badanie unieważnia fakt, że w tym wczesnym czasie gwiazd było dziesięć razy mniej niż obecnie.
W końcu astronomowie odkryli, że mniej więcej połowa gwiazd w obserwowanych galaktykach uformowała się po czasie, gdy Wszechświat był mniej więcej w połowie tak stary (7 000 milionów lat po Wielkim Wybuchu), jak obecnie (14 000 milionów lat).
Chociaż wynik ten został uzyskany z badania bardzo małego pola nieba i dlatego może nie być całkowicie reprezentatywny dla Wszechświata jako całości, wykazano, że obecny wynik utrzymuje się na innych polach nieba.
Oryginalne źródło: ESO News Release
