Zmogljiv teleskop Subaru na Havajih je našel najbolj oddaljeno galaksijo doslej, ki se nahaja 12,88 milijarde svetlobnih let - to je le 780 milijonov let po velikem udaru. Opazovanje predmetov na tej oddaljeni strani je izjemno težko, ne le zaradi velikih razdalj, ampak tudi zaradi tega, ker je bil velik del Vesolja zakrit za nevtralnim vodikom. Zvezde so šele nato začele čiščenje tega nevtralnega vodika, zaradi česar je vesolje pregledno.
Astronomi, ki so na Havajih uporabili teleskop Subaru na Havaju, so pogledali 60 milijonov let nazaj kot kateri koli drugi astronom, da bi našli najbolj oddaljeno znano galaksijo v vesolju. S tem podpirajo Subarujev rekord glede iskanja najbolj oddaljenih in najzgodnejših galaksij. Njihovo zadnje odkritje je galaksije z imenom I0K-1, ki leži tako daleč, da jo astronomi vidijo, kot se je pojavila pred 12,88 milijarde let.
To odkritje, ki temelji na opažanjih Masanori Iye iz Japonskega nacionalnega astronomskega observatorija (NAOJ), Kazuaki Ota iz tokijske univerze, Nobunarija Kashikawa iz NAOJ-a in drugih, kaže, da so galaksije obstajale le 780 milijonov let po nastanku vesolja pred približno 13,66 milijarde let kot vroča juha elementarnih delcev.
Za zaznavanje svetlobe iz te galaksije so astronomi uporabili kamer Subrime-Cam, ki je bil opremljen s posebnim filtrom Subaru-teleskopa Subaru, opremljen s posebnim filtrom, da bi iskali kandidatne oddaljene galaksije. Našli so 41.533 predmetov, od teh pa so na Subaruju identificirali dve galaksiji kandidatki za nadaljnje preučevanje z uporabo fotoaparata s šibkimi objekti in spektrografom (FOCAS). Ugotovili so, da ima IOK-1, svetlejši od teh dveh, rdeči premik 6,964, kar potrdi razdaljo 12,88 milijarde svetlobnih let.
Odkritje izziva astronome, da natančno ugotovijo, kaj se je zgodilo med 780 in 840 milijoni let po velikem udaru. IOK-1 je ena od le dveh galaksij v novi raziskavi, ki bi lahko pripadala tej daljni epohi. Glede na število galaksij, ki so jih odkrili od 840 milijonov let po velikem udaru, je raziskovalna skupina pričakovala, da bodo na tej razdalji našli kar šest galaksij. Primerjalna redkost predmetov, kot je IOK-1, pomeni, da se je moralo vesolje spremeniti v 60 milijonih let, ki ločujeta obe epohi.
Najbolj razburljiva razlaga tega, kar se je zgodilo, je, da vidimo dogodek, ki je bil astronomom znan kot reionizacija vesolja. V tem primeru je bilo vesolje še 780 milijonov let po velikem udaru še vedno dovolj nevtralnega vodika, da je blokiral naš pogled na mlade galaksije z absorpcijo svetlobe, ki jo proizvajajo njihove vroče mlade zvezde. Šestdeset milijonov let kasneje je bilo dovolj vročih mladih zvezd, ki so ionizirale preostali nevtralni vodik, zaradi česar je vesolje pregledno in nam je omogočilo, da vidimo njihove zvezde.
Druga razlaga rezultatov pravi, da je bilo 780 milijonov let po Velikem pragu manj velikih in svetlih mladih galaksij kot 60 milijonov let pozneje. V tem primeru bi se večina reionizacije zgodila pred 12,88 milijardami let.
Ne glede na to, katera interpretacija končno prevlada, odkritje sporoča, da astronomi zdaj izkopavajo svetlobo iz "temne dobe" vesolja. To je epoha, ko so nastale prve generacije zvezd in galaksij, in epoha, ki je astronomi do zdaj niso mogli opazovati.
OZADJE INFORMACIJE:
Arheologija zgodnjega vesolja z uporabo posebnih filtrov
Novorojene galaksije vsebujejo zvezde s širokim razponom mas. Težje zvezde imajo višje temperature in oddajajo ultravijolično sevanje, ki segreva in ionizira plin v bližini. Ko se plin hladi, oddaja odvečno energijo, tako da se lahko vrne v nevtralno stanje. V tem postopku bo vodik vedno oddajal svetlobo pri 121,6 nanometrov, ki se imenuje Lyman-alfa linija. Vsaka galaksija s številnimi vročimi zvezdami bi morala na tej valovni dolžini močno sijati. Če zvezde tvorijo vse naenkrat, bi najsvetlejše zvezde lahko proizvedle Lyman-alfa emisije 10 do 100 milijonov let.
Za proučevanje galaksij, kot je IOK-1, ki obstajajo v vesolju v zgodnjih obdobjih, morajo astronomi iskati svetlobo almana Lyman-alfa, ki se razteza in preusmeri na daljše valovne dolžine, ko se vesolje širi. Toda pri valovnih dolžinah, daljših od 700 nanometrov, se morajo astronomi spoprijeti z emisijami v ospredju molekul OH v Zemljini atmosferi, ki motijo šibke emisije oddaljenih predmetov.
Za zaznavanje šibke svetlobe iz oddaljenih galaksij je raziskovalna skupina opazovala valovne dolžine, kjer zemeljska atmosfera ne sveti veliko, skozi okna na 711, 816 in 921 nanometrov. Ta okna ustrezajo rdečemu premiku Lyman-alfa emisije iz galaksij z rdečimi premiki 4,8, 5,7 in 6,6. Te številke kažejo, koliko manjše je bilo vesolje v primerjavi z zdaj, in ustrezajo 1,26 milijarde let, 1,01 milijarde let in 840 milijonov let po velikem udaru. To je tako, kot da arheologijo zgodnjega vesolja delamo s posebnimi filtri, ki znanstvenikom omogočajo, da vidijo različne plasti izkopa.
Za dosego svojih izjemnih novih rezultatov je morala ekipa razviti filter, občutljiv na svetlobo z valovno dolžino le okoli 973 nanometrov, kar ustreza emisiji Lyman alfa pri rdečem premiku 7,0. Ta valovna dolžina je na meji sodobnih CCD-jev, ki izgubljajo občutljivost na valovnih dolžinah, daljših od 1000 nanometrov. Ta svojevrsten filter, imenovan NB973, uporablja tehnologijo večplastnih prevlek, za razvoj pa so potrebovali več kot dve leti. Filter je moral prepustiti svetlobo z valovno dolžino le okoli 973 nanometrov, ampak je moral enakomerno pokriti celotno vidno polje glavnega ostrenja teleskopa. Skupina je sodelovala s podjetjem Asahi Spectra Co.Ltd, da je zasnovala prototipni filter, ki bi ga uporabljali s Subarujevo kamero Faint Object, nato pa to izkušnjo uporabila pri izdelavi filtra za Suprime-Cam.
Opažanja
Opazovanja s filtrom NB973 so bila izvedena spomladi 2005. Po več kot 15 urah izpostavljenosti so dobljeni podatki dosegli mejno jakost 24,9. Na tej sliki je bilo 41.533 predmetov, vendar je primerjava s slikami, posnetih na drugih valovnih dolžinah, pokazala, da sta svetla samo dva predmeta samo na posnetku NB973. Skupina je zaključila, da sta lahko samo dva predmeta, ki sta galaksiji, s premikanjem 7.0. Naslednji korak je bil potrditev identitete obeh predmetov, IOK-1 in IOK-2, ekipa pa jih je opazovala s kamero Fact Object Camera in Spectrograph (FOCAS) na teleskopu Subaru. Po 8,5 urah izpostavljenosti je ekipa lahko od spektra obeh predmetov, IOK-1, dobila spekter emisijske črte. Njegov spekter je pokazal asimetrični profil, značilen za oddajanje Lyman-alfa iz oddaljene galaksije. Emisijski vod je bil osredotočen na valovno dolžino 968,2 nanometrov (rdeče premikanje 6.964), kar ustreza razdalji 12,88 milijarde svetlobnih let in času 780 milijonov let po velikem udaru.
Identiteta galaksije drugega kandidata
Tri ure opazovalnega časa niso prinesle nobenih prepričljivih rezultatov za določitev narave IOK-2. Od takrat je raziskovalna skupina pridobila več podatkov, ki jih zdaj analiziramo. Mogoče je, da je IOK-2 morda še ena oddaljena galaksija ali pa je objekt s spremenljivo svetlostjo. Na primer, galaksija s supernovo ali črno luknjo, ki aktivno požira material, ki se je med opazovanjem s filtrom NB973 pojavil svetel. (Opažanja v drugih filtrih so bila izvedena eno do dve leti prej.)
Globoko polje Subaru
Teleskop Subaru je še posebej primeren za iskanje najbolj oddaljenih galaksij. Od vseh teleskopov od 8 do 10 metrov na svetu je edini, ki ima možnost pritrditve fotoaparata v glavnem fokusu. Najpomembnejši fokus na vrhu cevi za teleskop ima prednost širokega vidnega polja. Posledično Subaru trenutno prevladuje na seznamu najbolj oddaljenih znanih galaksij. Veliko teh je na nebesnem območju v smeri ozvezdja Coma Berenices, imenovanega Subaru Deep Field, ki ga je raziskovalna skupina izbrala za intenzivno preučevanje na številnih valovnih dolžinah.
Zgodnja zgodovina vesolja in nastanek prvih galaksij
Da bi to podreditev Subaru postavili v kontekst, je pomembno pregledati, kaj vemo o zgodovini zgodnjega vesolja. Vesolje se je začelo z velikim praskom, ki se je zgodil pred približno 13,66 milijarde let v ognjenem kaosu ekstremnih temperatur in pritiska. V prvih treh minutah se je dojenčkovo vesolje hitro razširilo in ohladilo, pri čemer so nastala jedra lahkih elementov, kot sta vodik in helij, vendar zelo malo jeder težjih elementov. V 380.000 letih so se stvari ohladile na temperaturo okoli 3.000 stopinj. V tem trenutku bi se lahko elektroni in protoni združili, da bi tvorili nevtralni vodik.
Z elektroni, ki so zdaj vezani na atomska jedra, bi lahko svetloba potovala skozi vesolje, ne da bi jih elektroni razkropili. Dejansko lahko zaznamo svetlobo, ki je takrat prežela vesolje. Vendar se je zaradi časa in razdalje raztegnil za faktor 1.000, ki napolni vesolje z sevanjem, ki ga zaznamo kot mikrovalovne pečice (imenovano kozmično mikrovalovno ozadje). Vesoljsko plovilo Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) je preučevalo to sevanje in njegovi podatki so astronomom omogočili, da izračunajo starost vesolja na približno 13,66 milijarde let. Poleg tega ti podatki pomenijo obstoj takšnih stvari, kot so temna snov in še bolj enigmatična temna energija.
Astronomi menijo, da se je vesolje v prvih nekaj sto milijonih let po velikem udaru še naprej ohlajalo in da se je prva generacija zvezd in galaksij oblikovala v najgostejših predelih in temni snovi. To obdobje je znano kot "temne dobe" vesolja. Neposrednih opazovanj teh dogodkov še ni, zato astronomi uporabljajo računalniške simulacije, da bi povezali teoretične napovedi in obstoječe opazovalne dokaze, da bi razumeli nastanek prvih zvezd in galaksij.
Ko se rodijo svetle zvezde, lahko njihovo ultravijolično sevanje ionizira bližnje atome vodika, tako da jih razdeli nazaj na ločene elektrone in protone. V nekem trenutku je bilo dovolj svetlih zvezd, ki so ionizirale skoraj ves nevtralni vodik v vesolju. Ta proces se imenuje reionizacija vesolja. Epoha reionizacije signalizira konec temnega veka vesolja. Danes je večina vodika v prostoru med galaksijami ionizirana.
Določitev epohe reionizacije
Astronomi so ocenili, da se je reionizacija zgodila nekje med 290 do 910 milijonov let po rojstvu vesolja. Določitev začetka in konca epohe reionizacije je eden od pomembnih korakov pri razumevanju razvoja vesolja in je področje intenzivnega proučevanja kozmologije in astrofizike.
Zdi se, da ko gledamo dlje v čas, galaksije postajajo redkejše in redkejše. Število galaksij z rdečim premikom 7,0 (kar ustreza času približno 780 milijonov let po velikem udaru) se zdi manjše od tistega, ki ga astronomi vidijo pri rdečem premiku 6,6 (kar ustreza času približno 840 milijonov let po velikem udaru) . Ker je število znanih galaksij pri rdečem premiku 7.0 še vedno majhno (le eno!), Je težko narediti robustne statistične primerjave. Možno pa je, da je zmanjšanje števila galaksij pri višjem rdečem premiku posledica prisotnosti nevtralnega vodika, ki absorbira emisijo Lyman-alfa iz galaksij pri višjem rdečem premiku. Če lahko nadaljnje raziskave potrdijo, da se številčna gostota podobnih galaksij zmanjšuje med rdečimi premiki 6,6 in 7,0, bi to lahko pomenilo, da je IOK-1 obstajal v obdobju reonizacije vesolja.
Ti rezultati bodo objavljeni v reviji Nature, 14. septembra 2006.
Izvirni vir: Subaru News Release
