Potężny teleskop Subaru na Hawajach znalazł najodleglejszą galaktykę, jaką kiedykolwiek widziano, oddaloną o 12,88 miliarda lat świetlnych stąd - to zaledwie 780 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Obserwowanie obiektów tak odległych jest niezwykle trudne, nie tylko ze względu na duże odległości, ale także dlatego, że znaczna część Wszechświata była zasłonięta neutralnym wodorem. Dopiero wtedy gwiazdy zaczęły usuwać ten neutralny wodór, czyniąc Wszechświat przezroczystym.
Astronomowie używający teleskopu Subaru na Hawajach spojrzeli w przeszłość o 60 milionów lat bardziej niż jakikolwiek inny astronom, aby znaleźć najbardziej odległą znaną galaktykę we wszechświecie. W ten sposób podtrzymują rekord Subaru w poszukiwaniu najbardziej odległych i najwcześniejszych znanych galaktyk. Ich ostatnie odkrycie dotyczy galaktyki zwanej I0K-1, która leży tak daleko, że astronomowie widzą ją tak, jak się pojawiła 12,88 miliarda lat temu.
Odkrycie to, oparte na obserwacjach Masanori Iye z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii (NAOJ), Kazuaki Ota z Uniwersytetu Tokijskiego, Nobunari Kashikawa z NAOJ i innych, wskazuje, że galaktyki istniały zaledwie 780 milionów lat po powstaniu wszechświata około 13,66 miliarda lat temu jako gorąca zupa cząstek elementarnych.
Aby wykryć światło z tej galaktyki, astronomowie wykorzystali kamerę Suprime-Cam teleskopu Subaru wyposażoną w specjalny filtr do poszukiwania odległych galaktyk. Znaleźli 41 533 obiektów, a spośród nich zidentyfikowali dwie kandydujące galaktyki do dalszych badań przy użyciu kamery i spektrografu Faint Object (FOCAS) na Subaru. Odkryli, że IOK-1, jaśniejszy z nich, ma przesunięcie ku czerwieni wynoszące 6,964, co potwierdza odległość 12,88 miliarda lat świetlnych.
Odkrycie wzywa astronomów do dokładnego ustalenia, co wydarzyło się między 780 a 840 milionami lat po Wielkim Wybuchu. IOK-1 jest jedną z zaledwie dwóch galaktyk w nowym badaniu, które mogą należeć do tej odległej epoki. Biorąc pod uwagę liczbę galaktyk odkrytych po 840 milionach lat po Wielkim Wybuchu, zespół badawczy spodziewał się znaleźć w tej odległości aż sześć galaktyk. Porównawcza rzadkość obiektów takich jak IOK-1 oznacza, że wszechświat musiał się zmienić w ciągu 60 milionów lat, które dzielą dwie epoki.
Najbardziej ekscytującą interpretacją tego, co się stało, jest to, że obserwujemy wydarzenie znane astronomom jako reionizacja wszechświata. W tym przypadku, 780 milionów lat po Wielkim Wybuchu, wszechświat wciąż miał wystarczającą ilość neutralnego wodoru, aby zablokować nasz widok młodych galaktyk poprzez pochłanianie światła wytwarzanego przez ich gorące młode gwiazdy. Sześćdziesiąt milionów lat później było wystarczająco dużo gorących młodych gwiazd, aby zjonizować pozostały neutralny wodór, dzięki czemu wszechświat był przezroczysty i pozwalał nam zobaczyć ich gwiazdy.
Inna interpretacja wyników mówi, że było mniej dużych i jasnych młodych galaktyk 780 milionów lat po Wielkim Wybuchu niż 60 milionów lat później. W tym przypadku większość reionizacji miałaby miejsce wcześniej niż 12,88 miliarda lat temu.
Bez względu na to, która interpretacja ostatecznie zwycięży, odkrycie sygnalizuje, że astronomowie wydobywają teraz światło z „ciemnych wieków” wszechświata. Jest to epoka, w której powstały pierwsze generacje gwiazd i galaktyk, i epoka, której astronomowie nie byli w stanie obserwować do tej pory.
INFORMACJE OGÓLNE:
Archeologia wczesnego wszechświata za pomocą specjalnych filtrów
Nowo narodzone galaktyki zawierają gwiazdy o szerokim zakresie mas. Cięższe gwiazdy mają wyższe temperatury i emitują promieniowanie ultrafioletowe, które ogrzewa i jonizuje pobliski gaz. W miarę ochładzania się gazu promieniuje nadmiar energii, aby mógł powrócić do stanu neutralnego. W tym procesie wodór zawsze emituje światło o 121,6 nanometra, zwane linią Lymana-alfa. Każda galaktyka z wieloma gorącymi gwiazdami powinna jasno świecić na tej długości fali. Gdyby gwiazdy powstały wszystkie naraz, najjaśniejsze gwiazdy mogłyby wytwarzać emisję alfa Lymana przez 10 do 100 milionów lat.
Aby badać galaktyki, takie jak IOK-1, które istnieją we wczesnych czasach we wszechświecie, astronomowie muszą szukać światła Lyman-alfa, które jest rozciągane i przesuwane na czerwono na dłuższe fale w miarę rozszerzania się wszechświata. Jednak przy długościach fal dłuższych niż 700 nanometrów astronomowie muszą radzić sobie z emisjami pierwszoplanowymi z cząsteczek OH we własnej atmosferze Ziemi, które zakłócają słabą emisję z odległych obiektów.
Aby wykryć słabe światło odległych galaktyk, zespół badawczy obserwował fale o długościach fali, w których atmosfera Ziemi nie świeci dużo, przez okna o wymiarach 711, 816 i 921 nanometrów. Te okna odpowiadają przesuniętej na czerwono emisji Lymana-alfa z galaktyk o przesunięciach ku czerwieni odpowiednio 4,8, 5,7 i 6,6. Liczby te wskazują, o ile mniejszy był wszechświat i odpowiadają 1,26 miliarda lat, 1,01 miliarda lat i 840 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To jest jak wykonywanie archeologii wczesnego wszechświata przy użyciu określonych filtrów, umożliwiających naukowcom wgląd w różne warstwy wykopalisk.
Aby uzyskać ich spektakularne nowe wyniki, zespół musiał opracować filtr wrażliwy na światło o długości fali tylko około 973 nanometrów, co odpowiada emisji alfa Lymana przy przesunięciu ku czerwieni 7,0. Ta długość fali jest na granicy współczesnych matryc CCD, które tracą czułość przy długości fali większej niż 1000 nanometrów. Ten jedyny w swoim rodzaju filtr, zwany NB973, wykorzystuje technologię powlekania wielowarstwowego i jego opracowanie zajęło ponad dwa lata. Filtr musiał nie tylko przepuszczać światło o długości fali tylko około 973 nanometrów, ale musiał także równomiernie pokrywać całe pole widzenia głównego ogniska teleskopu. Zespół współpracował z firmą Asahi Spectra Co.Ltd, aby zaprojektować prototypowy filtr do użycia z kamerą Faint Object Camera Subaru, a następnie wykorzystał to doświadczenie do stworzenia filtra dla Suprime-Cam.
Obserwacje
Obserwacje z filtrem NB973 miały miejsce wiosną 2005 roku. Po ponad 15 godzinach czasu ekspozycji uzyskane dane osiągnęły wartość graniczną 24,9. Na tym zdjęciu znajdowało się 41 533 obiektów, ale porównanie ze zdjęciami wykonanymi przy innych długościach fal wykazało, że tylko dwa z tych obiektów były jasne tylko na zdjęciu NB973. Zespół doszedł do wniosku, że tylko te dwa obiekty mogą być galaktykami przy przesunięciu ku czerwieni 7,0. Następnym krokiem było potwierdzenie tożsamości dwóch obiektów, IOK-1 i IOK-2, a zespół obserwował je za pomocą Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) na teleskopie Subaru. Po 8,5 godzinach ekspozycji zespół był w stanie uzyskać widmo linii emisyjnej z jaśniejszego z dwóch obiektów, IOK-1. Jego widmo wykazało asymetryczny profil, który jest charakterystyczny dla emisji Lyman-alfa z odległej galaktyki. Linia emisji była wyśrodkowana na długości fali 968,2 nanometrów (przesunięcie ku czerwieni 6.964), co odpowiada odległości 12,88 miliarda lat świetlnych i czasowi 780 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Tożsamość drugiej galaktyki kandydackiej
Trzy godziny czasu obserwacji nie przyniosły żadnych rozstrzygających wyników w celu określenia natury IOK-2. Zespół badawczy uzyskał odtąd więcej danych, które są obecnie analizowane. Możliwe, że IOK-2 może być inną odległą galaktyką lub może być obiektem o zmiennej jasności. Na przykład galaktyka z supernową lub czarną dziurą aktywnie połyka materiał, który akurat okazał się jasny podczas obserwacji z filtrem NB973. (Obserwacje w innych filtrach poczyniono 1–2 lata wcześniej).
Głębokie pole Subaru
Teleskop Subaru jest szczególnie odpowiedni do wyszukiwania najbardziej odległych galaktyk. Ze wszystkich teleskopów klasy od 8 do 10 metrów na świecie jest to jedyny z możliwością zamontowania kamery w podstawowym ustawieniu ostrości. Podstawowa ogniskowa u góry tuby teleskopu ma tę zaletę, że ma szerokie pole widzenia. W rezultacie Subaru dominuje obecnie na liście najbardziej odległych znanych galaktyk. Wiele z nich znajduje się w rejonie nieba w kierunku gwiazdozbiorze śpiączki Bereniki zwane Głębokim Polem Subaru, które zespół badawczy wybrał do intensywnych badań na wielu długościach fal.
Wczesna historia Wszechświata i powstawanie pierwszych galaktyk
Aby umieścić to osiągnięcie Subaru w kontekście, ważne jest, aby przejrzeć to, co wiemy o historii wczesnego wszechświata. Wszechświat rozpoczął się od Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce około 13,66 miliarda lat temu w ognistym chaosie ekstremalnej temperatury i ciśnienia. W ciągu pierwszych trzech minut wszechświat niemowlęcia gwałtownie rozszerzył się i ochłodził, wytwarzając jądra lekkich pierwiastków, takich jak wodór i hel, ale bardzo niewiele jąder cięższych pierwiastków. W ciągu 380 000 lat rzeczy ostygły do temperatury około 3000 stopni. W tym momencie elektrony i protony mogą łączyć się, tworząc obojętny wodór.
Ponieważ elektrony są teraz związane z jądrami atomowymi, światło może przemieszczać się w przestrzeni bez rozpraszania przez elektrony. Możemy wtedy wykryć światło, które przenikało wtedy wszechświat. Jednak ze względu na czas i odległość został rozciągnięty 1000 razy, wypełniając wszechświat promieniowaniem, które wykrywamy jako mikrofale (zwane Cosmic Microwave Background). Sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) badała to promieniowanie, a jego dane pozwoliły astronomom obliczyć wiek wszechświata na około 13,66 miliarda lat. Ponadto dane te sugerują istnienie takich rzeczy, jak ciemna materia i jeszcze bardziej zagadkowa ciemna energia.
Astronomowie uważają, że w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu wszechświat nadal się ochładzał i że pierwsza generacja gwiazd i galaktyk formowała się w najgęstszych regionach materii i ciemnej materii. Ten okres jest znany jako „ciemne wieki” wszechświata. Nie ma jeszcze bezpośrednich obserwacji tych wydarzeń, więc astronomowie używają symulacji komputerowych, aby połączyć przewidywania teoretyczne i istniejące dowody obserwacyjne, aby zrozumieć powstawanie pierwszych gwiazd i galaktyk.
Kiedy rodzą się jasne gwiazdy, ich promieniowanie ultrafioletowe może jonizować pobliskie atomy wodoru, dzieląc je z powrotem na oddzielne elektrony i protony. W pewnym momencie było wystarczająco dużo jasnych gwiazd, aby zjonizować prawie cały obojętny wodór we wszechświecie. Ten proces nazywa się reionizacją wszechświata. Epoka reionizacji sygnalizuje koniec Mrocznych Wieków wszechświata. Obecnie większość wodoru w przestrzeni między galaktykami jest zjonizowana.
Określenie epoki reionizacji
Astronomowie oszacowali, że reionizacja nastąpiła między 290 a 910 milionów lat po narodzinach wszechświata. Określenie początku i końca epoki reionizacji jest jednym z ważnych kroków do zrozumienia ewolucji wszechświata i jest obszarem intensywnych badań kosmologii i astrofizyki.
Wygląda na to, że gdy patrzymy w przeszłość, galaktyki stają się coraz rzadsze. Liczba galaktyk o przesunięciu ku czerwieni o wartości 7,0 (co odpowiada czasowi około 780 milionów lat po Wielkim Wybuchu) wydaje się mniejsza niż to, co widzą astronomowie przy przesunięciu ku czerwieni o wartości 6,6 (co odpowiada czasowi około 840 milionów lat po Wielkim Wybuchu) . Ponieważ liczba znanych galaktyk przy przesunięciu ku czerwieni o wartości 7.0 jest wciąż niewielka (tylko jedna!), Trudno jest dokonać dokładnych porównań statystycznych. Możliwe jest jednak, że spadek liczby galaktyk przy większym przesunięciu ku czerwieni wynika z obecności neutralnego wodoru pochłaniającego emisję Lymana-alfa z galaktyk przy większym przesunięciu ku czerwieni. Jeśli dalsze badania mogą potwierdzić, że gęstość liczbowa podobnych galaktyk zmniejsza się między przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 6,6 a 7,0, może to oznaczać, że IOK-1 istniał w epoce reionizacji wszechświata.
Wyniki zostaną opublikowane 14 września 2006 r. W wydaniu Nature.
Oryginalne źródło: Subaru News Release
