Kreditna slika: ESO
Skupina astronomov s sedeža na Havajih je odkrila oddaljeno galaksijo, oddaljeno 12,8 milijarde svetlobnih let, kar nam pokaže, kako je bilo videti vesolje, ko je bilo le 900 milijonov let. Galaksijo so našli s posebno kamero, nameščeno na teleskopu Kanada-Francija-Havaji, ki išče oddaljene predmete v zelo specifični frekvenci svetlobe. Z odkrivanjem te galaksije, ki se nahaja v ozvezdju Cetusa, tik ob zvezdi Mira, je ekipa razvila novo metodologijo za odkrivanje oddaljenih predmetov, ki naj bi prihodnjim opazovalcem pomagala še bolj pogledati v preteklost.
Z izboljšanimi teleskopi in instrumenti so postale možne opazovanja izjemno oddaljenih in šibkih galaksij, ki so bile do nedavnega sanje astronomov.
Eden takšnih predmetov je med iskanjem izredno oddaljenih galaksij našla skupina astronomov [2] s širokopasovno kamero, nameščeno na teleskopu Kanada-Francija-Havaji v Mauna Kea (Havaji, ZDA). Poimenovan "z6VDF J022803-041618" je bil zaznan zaradi svoje nenavadne barve, saj je viden samo na slikah, pridobljenih s posebnim optičnim filtrom, ki izolira svetlobo v ozkem bližnjem infrardečem pasu.
Nadaljnji spekter tega predmeta z večnamenskim instrumentom FORS2 na zelo velikem teleskopu ESO (VLT) je potrdil, da gre za zelo oddaljeno galaksijo (rdeči premik je 6,17 [3]). Vidimo ga tako, kot je bilo takrat, ko je bilo Vesolje le približno 900 milijonov let.
z6VDF J022803-041618 je ena najbolj oddaljenih galaksij, za katero so bili doslej dobljeni spektri. Zanimivo je, da so ga odkrili zaradi svetlobe, ki jo oddajajo njene ogromne zvezde, in ne, kot je bilo sprva pričakovano, zaradi emisije vodikovega plina.
Kratka zgodovina zgodnjega Vesolja
Večina znanstvenikov se strinja, da je vesolje izhajalo iz vročega in izjemno gostega začetnega stanja v velikem naletu. Zadnja opažanja kažejo, da se je ta ključni dogodek zgodil pred približno 13.700 milijoni let.
V prvih nekaj minutah so nastale ogromne količine jeder vodika in helija s protoni in nevtroni. Bilo je tudi veliko prostih elektronov in v naslednji epohi so se številni fotoni razkropili iz teh in atomskih jeder. V tej fazi je bilo vesolje popolnoma neprozorno.
Po približno 100.000 letih se je Vesolje ohladilo na nekaj tisoč stopinj in jedra in elektroni so sedaj združeni v tvorbo atomov. Fotoni se potem niso več razkropili od njih in Vesolje je nenadoma postalo prozorno. Kozmologi ta trenutek označujejo kot "epobo rekombinacije". Mikrovalovno ozadje, ki ga zdaj opazujemo iz vseh smeri, prikazuje stanje velike enotnosti v vesolju v tisti daljni epohi.
V naslednji fazi so se primarni atomi - od katerih je bilo več kot 99% vodika in helija - premikali skupaj in začeli tvoriti ogromne oblake, iz katerih so kasneje nastale zvezde in galaksije. Prva generacija zvezd in nekoliko kasneje tudi prve galaksije in kvazarji [4] so proizvajali intenzivno ultravijolično sevanje. Vendar sevanje ni potovalo zelo daleč, kljub temu, da je vesolje že zdavnaj postalo transparentno. To je zato, ker bi ultravijolične (kratkoročne valove) fotone takoj absorbirali vodikovi atomi, ki bi "atrinirali" elektrone iz teh atomov, medtem ko bi fotoni z daljšo valovno dolžino lahko potovali veliko dlje. Intergalaktični plin je tako ponovno postajal ioniziran v nenehno rastočih sferah okoli ionskih virov.
Te krogle so v nekem trenutku postale tako velike, da so se popolnoma prekrivale; to se imenuje "epoha ponovne ionizacije". Do takrat so ultravijolično sevanje atomi absorbirali, zdaj pa je Vesolje postalo prozorno tudi za to sevanje. Prej ultravijolične svetlobe tistih prvih zvezd in galaksij ni bilo mogoče videti na velikih razdaljah, zdaj pa se je vesolje naenkrat zdelo polno svetlih predmetov. Zato je časovni interval med epohami "rekombinacije" in "ponovne ionizacije" označen kot "temna doba".
Kdaj je bil konec "temne dobe"?
Natančna epoha ponovne ionizacije je predmet aktivne razprave med astronomi, vendar nedavni rezultati opazovanj tal in vesolja kažejo, da je "temna doba" trajala nekaj sto milijonov let. Zdaj potekajo različni raziskovalni programi, ki poskušajo bolje ugotoviti, kdaj so se zgodili ti zgodnji dogodki. Za to je treba najti in podrobno raziskati najzgodnejše in s tem tudi najbolj oddaljene predmete v vesolju - in to je zelo zahtevno opazovalno prizadevanje.
Svetloba je zatemnjena s kvadratom oddaljenosti in dlje, ko gledamo v prostor, da opazujemo predmet - in zato dlje v času, ko ga vidimo - slabše se pojavi. Hkrati se njegova temna svetloba zaradi širitve Vesolja premakne proti rdečemu območju spektra - večja kot je razdalja, večji je opaženi rdeč premik [3].
Emisijska cev Lyman-alfa
Pri zemeljskih teleskopih se najnižje meje zaznavanja dosežejo z opazovanji v vidnem delu spektra. Zaznavanje zelo oddaljenih predmetov zato zahteva opazovanje ultravijoličnih spektralnih signalov, ki so bili prestavljeni v vidno območje. Običajno astronomi za to uporabljajo rdečo premaknjeno spektralno emisijsko črto Lyman-alfa z valovno dolžino počitka 121,6 nm; ustreza fotonom, ki jih oddajajo atomi vodika, ko se spremenijo iz vzbujenega v osnovno stanje.
Eden očitnih načinov iskanja najbolj oddaljenih galaksij je torej iskanje emisije Lyman-alfa na najbolj rdeči (najdaljši) možni valovni dolžini. Daljša kot je valovna dolžina opazovane Lyman-alfa črte, večja je rdeč premik in razdalja, prej pa je epoha, pri kateri vidimo galaksijo in bližje je trenutku, ki je označil konec "temne dobe" “.
CCD-detektorji, ki se uporabljajo v astronomskih instrumentih (pa tudi v komercialnih digitalnih fotoaparatih), so občutljivi na svetlobo valovnih dolžin do približno 1000 nm (1? M), to je v zelo bližnjem infrardečem spektralnem območju, ki presega najbolj rdečo svetlobo, ki lahko naj jih človeško oko zazna pri približno 700-750 nm.
Svetlo bližnje infrardeče nočno nebo
Obstaja pa še ena težava pri tovrstnem delu. Iskanje šibke emisije Lyman-alfe iz oddaljenih galaksij je zapleteno zaradi dejstva, da zemeljska atmosfera - skozi katero morajo videti vsi zemeljski teleskopi - oddaja tudi svetlobo. To še posebej velja na rdečem in skoraj infrardečem delu spektra, kjer na stotine diskretnih emisijskih vod izvira iz hidroksilne molekule (radikal OH), ki je prisoten v zgornjem kopenskem ozračju na nadmorski višini približno 80 km (glej PR Foto 13a / 03).
Ta močna emisija, ki jo astronomi označujejo kot "ozadje neba", je odgovorna za mejo osenčenosti, pri kateri je mogoče neznane predmete zaznati s zemeljskimi teleskopi na skoraj infrardeči valovni dolžini. Vendar pa na srečo obstajajo spektralni intervali "nizkega OH-ozadja", kjer so te emisijske črte veliko bolj šibke, kar omogoča mejo zaznave šibkejšega od opazovanja tal. Na PR Photo 13a / 03 sta blizu takih "oken temnega neba" blizu valovnih dolžin 820 in 920 nm.
Glede na te vidike je zato obetaven način učinkovitega iskanja najbolj oddaljenih galaksij opazovanje na valovnih dolžinah blizu 920 nm z ozko pasovnim optičnim filtrom. Prilagoditev spektralne širine tega filtra na približno 10 nm omogoča zaznavanje čim večje količine svetlobe iz nebesnih objektov, ko se oddaja v spektralni liniji, ki ustreza filtru, obenem pa zmanjša negativni vpliv emisije v nebo.
Z drugimi besedami, z največ svetlobe, zbrane iz oddaljenih predmetov, in najmanj moteče svetlobe iz prizemne atmosfere, so možnosti za zaznavanje teh oddaljenih predmetov optimalne. Astronomi govorijo o "maksimiranju kontrasta" predmetov, ki prikazujejo emisijske črte na tej valovni dolžini.
Iskalni program CFHT
Na podlagi zgornjih pomislekov je mednarodna ekipa astronomov [2] na instrument CFH12K na teleskopu Kanada-Francija-Havaji na telesu Mauna Kea (Havaji, ZDA) namestila ozko pasovni optični filter s središčem na skoraj infrardeči valovni dolžini 920 nm. iskati izjemno oddaljene galaksije. CFH12K je široko usmerjena kamera, ki se uporablja v glavnem fokusu CFHT in omogoča vidno polje pribl. 30 x 40 arcmin2, nekoliko večja od polne lune [5].
S primerjavo slik istega nebesnega polja, posnetih skozi različne filtre, so astronomi lahko identificirali predmete, ki so na sliki NB920 videti sorazmerno svetli in v ustreznih slikah, dobljenih s pomočjo drugih filtrov, "blede" (ali sploh niso vidni). . Izjemen primer je prikazan na PR Photo 13b / 03 - predmet na sredini je dobro viden na sliki 920nm, na drugih slikah pa sploh ne.
Najbolj verjetna razlaga za objekt s tako nenavadno barvo je, da gre za zelo oddaljeno galaksijo, za katero je zaradi rdečega premika opažena valovna dolžina močne emisijske črte Lyman-alfa blizu 920 nm. Vsaka svetloba, ki jo oddaja galaksija pri valovnih dolžinah krajših od Lyman-alfe, močno absorbira intervenirni in medgalaktični vodikov plin; to je razlog, da objekt ni viden v vseh drugih filtrih.
VLT spekter
Da bi spoznali resničnost tega predmeta, je potrebno opraviti spektroskopsko spremljanje z opazovanjem njegovega spektra. To je bilo doseženo z večnamenskim instrumentom FORS 2 na 8,2-metrskem teleskopu VLT YEPUN na opazovalnici ESO Paranal. Ta objekt nudi popolno kombinacijo zmerne spektralne ločljivosti in visoke občutljivosti rdeče barve za tovrstno zelo zahtevno opazovanje. Nastali (šibki) spekter je prikazan v PR Photo 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 prikazuje sledenje končnega ("očiščenega") spektra predmeta po ekstrakciji s slike, prikazane na PR Photo 13c / 03. Ena široka emisijska linija je jasno zaznana (levo od središča; povečana vstavka). Asimetrična je, pritisnjena na modri (levi) strani. To v kombinaciji z dejstvom, da se levo od črte ne zazna kontinuirana svetloba, je jasen spektralni podpis Lyman-alfa črte: fotoni, "modrejši" od Lyman-alfe, močno absorbirajo plin, prisoten v sami galaksiji. in v medgalaktičnem mediju vzdolž vidnega polja med Zemljo in objektom.
Spektroskopska opazovanja so zato astronomom omogočala, da nedvoumno prepoznajo to črto kot Lyman-alfa in zato potrdijo veliko razdaljo (velik rdeč premik) tega določenega predmeta. Izmerjeni rdeči premik znaša 6,17, zaradi česar je ta objekt ena najbolj oddaljenih galaksij, kar jih je bilo kdajkoli zaznanih. Prejel je oznako „z6VDF J022803-041618“ - prvi del tega nekoliko grozega imena se nanaša na raziskavo, drugi pa nakazuje položaj te galaksije na nebu.
Zvezdica v zgodnjem vesolju
Vendar ta opažanja niso prišla brez presenečenja! Astronomi so upali (in pričakovali), da bodo odkrili linijo Lyman-alfa iz predmeta v središču 920 nm spektralnega okna. Medtem ko je bila najdena črta Lyman-alfa, je bila nameščena na nekoliko krajši valovni dolžini.
Tako emisija Lyman-alfa ni povzročila, da je bila ta galaksija "svetla" na sliki ozkega pasu (NB920), temveč "kontinuum" emisije pri valovnih dolžinah, daljših od volumna Lyman-alfa. To sevanje je zelo slabo vidno kot vodoravna, razpršena črta na PR Photo 13c / 03.
Posledica tega je, da je izmerjeni rdeči premik 6,17 nižji od prvotno predvidenega rdečega premika za približno 6,5. Druga stvar je, da je z6VDF J022803-041618 zaznal svetloba iz svojih ogromnih zvezd ("kontinuum") in ne emisija iz vodikovega plina (Lyman-alfa linija).
Ta zanimiv zaključek je še posebej zanimiv, saj kaže, da je načeloma mogoče zaznati galaksije na tej ogromni razdalji, ne da bi se morali zanašati na emisijsko črto Lyman-alfa, ki morda ni vedno prisotna v spektrih oddaljenih galaksij. To bo astronomom zagotovilo popolnejšo sliko populacije galaksij v zgodnjem vesolju.
Poleg tega bo opazovanje čedalje več teh oddaljenih galaksij pripomoglo k boljšemu razumevanju ionizacijskega stanja vesolja v tej starosti: ultravijolična svetloba, ki jo oddajajo te galaksije, nas ne bi smela doseči v »nevtralnem« Vesolju, torej preden se je zgodila ponovna ionizacija. . Zdaj je lov na več takšnih galaksij, da bi razjasnili, kako se je zgodil prehod iz temne dobe!
Izvirni vir: ESO News Release
