Źródło zdjęcia: ESO
Międzynarodowy zespół astronomów użył bardzo dużego teleskopu Europejskiego Obserwatorium Południowego (VLT), aby spojrzeć głęboko w kosmos i zobaczyć galaktyki znajdujące się w odległości 12,6 miliarda lat świetlnych - galaktyki te są widoczne, gdy Wszechświat miał zaledwie 10% swojego obecnego wieku. Odnaleziono niewiele starych galaktyk, a ta nowa kolekcja pomogła astronomom dojść do wniosku, że są częścią kosmicznej Ciemnej Ery, kiedy galaktyki świecące były rzadsze - było ich znacznie więcej, tylko 500 milionów lat później.
Korzystając z bardzo dużego teleskopu ESO (VLT), dwóch astronomów z Niemiec i Wielkiej Brytanii [2] odkryło jedne z najbardziej odległych galaktyk, jakie kiedykolwiek widziałem. Są one oddalone o około 12 600 milionów lat świetlnych.
Zajęło światło zarejestrowane teraz przez VLT około dziewiątych dziesiątych wieku Wszechświata, aby przemierzyć ten ogromny dystans. Dlatego obserwujemy te galaktyki w czasie, gdy Wszechświat był bardzo młody, mniej niż około 10% jego obecnego wieku. W tym czasie Wszechświat wyłaniał się z długiego okresu znanego jako „Średniowiecze”, wkraczając w świetlistą epokę „Kosmicznego Renesansu”.
W przeciwieństwie do poprzednich badań, które doprowadziły do odkrycia kilku szeroko rozproszonych galaktyk w tej wczesnej epoce, obecne badania wykazały, że co najmniej sześciu odległych obywateli znajduje się na niewielkim obszarze nieba, mniej niż pięć procent wielkości księżyca w pełni! Umożliwiło to zrozumienie ewolucji tych galaktyk i ich wpływu na stan Wszechświata w młodości.
W szczególności astronomowie konkludują na podstawie swoich unikalnych danych, że na tym wczesnym etapie we Wszechświecie było znacznie mniej galaktyk świetlnych niż 500 milionów lat później.
Dlatego w badanym obszarze przestrzeni kosmicznej musi być wiele mniej świecących galaktyk, zbyt słabych, aby można je było wykryć w tym badaniu. To muszą być te wciąż niezidentyfikowane galaktyki, które emitują większość fotonów energetycznych potrzebnych do jonizacji wodoru we Wszechświecie w tej szczególnie epoce.
Od Wielkiego Wybuchu do Kosmicznego Renesansu
Obecnie Wszechświat przenika energetyczne promieniowanie ultrafioletowe, wytwarzane przez kwazary i gorące gwiazdy. Fotony o krótkiej długości fali uwalniają elektrony z atomów wodoru, które tworzą rozproszone międzygalaktyczne medium, a zatem ten ostatni jest prawie całkowicie zjonizowany. Była jednak wczesna epoka w historii Wszechświata, kiedy tak nie było.
Wszechświat emanował z gorącego i niezwykle gęstego stanu początkowego, tak zwanego Wielkiego Wybuchu. Astronomowie uważają teraz, że miało to miejsce około 13 700 milionów lat temu.
W ciągu pierwszych kilku minut powstały ogromne ilości protonów, neutronów i elektronów. Wszechświat był tak gorący, że protony i elektrony unosiły się swobodnie: Wszechświat był w pełni zjonizowany.
Po około 100 000 lat Wszechświat ostygł do kilku tysięcy stopni, a jądra i elektrony połączyły się, tworząc atomy. Kosmolodzy nazywają ten moment „epoką rekombinacji”. Promieniowanie tła mikrofalowego, które obserwujemy teraz ze wszystkich kierunków, przedstawia stan dużej jednolitości we Wszechświecie w tej odległej epoce.
Był to jednak także czas, gdy Wszechświat pogrążył się w ciemności. Z jednej strony promieniowanie reliktowe z pierwotnej kuli ognia zostało rozciągnięte przez kosmiczną ekspansję w kierunku dłuższych fal i dlatego nie był już w stanie jonizować wodoru. Przeciwnie, został uwięziony przez właśnie utworzone atomy wodoru. Z drugiej strony nie powstały jeszcze gwiazdy ani kwazary, które mogłyby oświetlić rozległą przestrzeń. Ta ponura era została więc dość rozsądnie nazwana „Ciemnym Wiekiem”. Obserwacje nie były jeszcze w stanie przeniknąć do tego odległego wieku - nasza wiedza jest nadal szczątkowa i opiera się na obliczeniach teoretycznych.
Kilkaset milionów lat później, a przynajmniej tak sądzą astronomowie, niektóre ogromne masywne obiekty powstały z olbrzymich chmur gazu, które poruszały się razem. Pierwsza generacja gwiazd, a nieco później pierwsze galaktyki i kwazary, wytwarzała intensywne promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie to nie mogło jednak dotrzeć bardzo daleko, ponieważ zostanie natychmiast pochłonięte przez atomy wodoru, które ponownie uległy jonizacji w tym procesie.
W ten sposób gaz międzygalaktyczny ponownie zjonizował się w stale rosnących sferach wokół źródeł jonizujących. W pewnym momencie kule te stały się tak duże, że całkowicie się pokryły: mgła nad Wszechświatem uniosła się!
To był koniec średniowiecza, a terminem ponownie zaczerpniętym z ludzkiej historii jest czasem określany jako „kosmiczny renesans”. Opisując najważniejszą cechę tego okresu, astronomowie nazywają go także „epoką reionizacji”.
Znajdowanie najbardziej odległych galaktyk za pomocą VLT
Aby rzucić nieco światła na stan Wszechświata pod koniec średniowiecza, konieczne jest odkrycie i zbadanie bardzo odległych (tj. Przesunięcie ku czerwieni [2]) galaktyk. Można zastosować różne metody obserwacyjne - na przykład odkryto odległe galaktyki za pomocą wąskopasmowego obrazowania (np. ESO PR 12/03), wykorzystując obrazy, które zostały wzmocnione grawitacyjnie przez gromady masywne, a także przypadkowo.
Matthew Lehnert z MPE w Garching w Niemczech i Malcolm Bremer z University of Bristol w Wielkiej Brytanii zastosowali specjalną technikę, która wykorzystuje zmianę zaobserwowanych kolorów odległej galaktyki spowodowaną absorpcją w pośrednim ośrodku międzygalaktycznym. Galaktyki przy przesunięciu ku czerwieni od 4,8 do 5,8 [2] można znaleźć, szukając galaktyk, które wydają się stosunkowo jasne w czerwonym świetle optycznym i które są słabe lub niewykryte w zielonym świetle. Takie „przerwy” w rozkładzie światła poszczególnych galaktyk dostarczają mocnych dowodów na to, że galaktyka może być zlokalizowana z dużym przesunięciem ku czerwieni i że jej światło rozpoczęło swoją długą podróż ku nam, zaledwie około 1000 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
W tym celu najpierw użyli instrumentu wielomodowego FORS2 w 8,2-metrowym teleskopie VEP YEPUN do robienia wyjątkowo „głębokich” zdjęć przez trzy filtry optyczne (zielony, czerwony i bardzo czerwony) małego obszaru nieba (40 min lub około 5 procent wielkości księżyca w pełni). Te zdjęcia ujawniły około 20 galaktyk z dużymi przerwami między zielonymi i czerwonymi filtrami, co sugeruje, że były one zlokalizowane przy dużym przesunięciu ku czerwieni. Widma tych galaktyk uzyskano następnie za pomocą tego samego instrumentu, aby zmierzyć ich prawdziwe przesunięcia ku czerwieni.
„Kluczem do sukcesu tych obserwacji było zastosowanie nowego, znakomitego detektora z czerwoną maską dostępnego w FORS2”, mówi Malcolm Bremer.
Widma wskazują, że sześć galaktyk znajduje się w odległościach odpowiadających przesunięciu ku czerwieni między 4,8 a 5,8; inne galaktyki były bliżej. Zaskakujące i ku zadowoleniu astronomów jedna linia emisji została zauważona w innej słabej galaktyce, którą zaobserwowano przypadkowo (zdarzyło się, że była zlokalizowana w jednej ze szczelin FORS2), która prawdopodobnie mogła być zlokalizowana nawet dalej, przy przesunięciu ku czerwieni 6.6 Gdyby to potwierdziły kolejne, bardziej szczegółowe obserwacje, galaktyka byłaby pretendentem do złotego medalu jako najbardziej odległego znanego!
Najwcześniejsze znane galaktyki
Widma ujawniły, że galaktyki te aktywnie tworzą gwiazdy i prawdopodobnie nie są starsze niż 100 milionów lat, być może nawet młodsze. Jednak ich liczba i zaobserwowana jasność sugerują, że galaktyki świetlne przy tych przesunięciach ku czerwieni są mniej i mniej świecące niż podobnie wybrane galaktyki bliżej nas.
„Nasze odkrycia pokazują, że połączone światło ultrafioletowe z odkrytych galaktyk jest niewystarczające do pełnego zjonizowania otaczającego gazu”, wyjaśnia Malcom Bremer. „To prowadzi nas do wniosku, że w badanym obszarze przestrzeni kosmicznej musi być o wiele więcej mniejszych i mniej świecących galaktyk, zbyt słabych, aby można je było wykryć w ten sposób. To muszą być te wciąż niewidoczne galaktyki, które emitują większość fotonów energetycznych niezbędnych do jonizacji wodoru we Wszechświecie. ”
„Kolejnym krokiem będzie użycie VLT do znalezienia więcej i słabszych galaktyk przy jeszcze większych przesunięciach ku czerwieni”, dodaje Matthew Lehnert. „Dzięki większej próbce takich odległych obiektów możemy uzyskać wgląd w ich naturę i zmienność ich gęstości na niebie”.
Brytyjska premiera
Przedstawione tutaj obserwacje są jednymi z pierwszych ważnych odkryć brytyjskich naukowców, odkąd Wielka Brytania stała się członkiem ESO w lipcu 2002 r. Richard Wade z Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC), który finansuje brytyjską subskrypcję ESO, jest bardzo zadowolony : „Przystępując do Europejskiego Obserwatorium Południowego, brytyjscy astronomowie uzyskali dostęp do wiodących na świecie obiektów, takich jak VLT. Te ekscytujące nowe wyniki, z których jestem pewien, że będzie ich znacznie więcej, pokazują, w jaki sposób astronomowie z Wielkiej Brytanii wnoszą wkład w najnowsze odkrycia. ”
Więcej informacji
Wyniki opisane w niniejszym komunikacie prasowym mają się wkrótce ukazać w czasopiśmie badawczym Astrophysical Journal („Luminous Lyman Break Galaxies at z> 5 and the Source of Reionization” autorstwa M. D. Lehnert i M. Bremer). Jest dostępny w formie elektronicznej jako astro-ph / 0212431.
Notatki
[1]: To jest skoordynowany komunikat prasowy ESO / PPARC. Wersja PPARC wydania można znaleźć tutaj.
[2]: Prace te wykonali Malcolm Bremer (University of Bristol, Wielka Brytania) i Matthew Lehnert (Max-Planck-Institut f? R Extraterrestrische Physik, Garching, Niemcy).
[3]: Zmierzone przesunięcia ku czerwieni galaktyk w głębokim polu Bremera wynoszą z = 4,8-5,8, przy jednym nieoczekiwanym (i zaskakującym) przesunięciu ku czerwieni równym 6,6. W astronomii przesunięcie ku czerwieni oznacza ułamek przesunięcia linii w widmie obiektu w kierunku dłuższych fal. Obserwowane przesunięcie ku czerwieni odległej galaktyki zapewnia oszacowanie jej odległości. Odległości wskazane w niniejszym tekście oparte są na wieku Wszechświata wynoszącym 13,7 miliarda lat. Przy wskazanym przesunięciu ku czerwieni linia Lyman-alfa atomowego wodoru (długość fali spoczynkowej 121,6 nm) jest obserwowana przy 680 do 920 nm, tj. W czerwonym obszarze widmowym.
Oryginalne źródło: ESO News Release
