Puternicul telescop Subaru din Hawai a găsit cea mai îndepărtată galaxie văzută vreodată, situată la 12,88 miliarde de ani-lumină distanță - aceasta este la numai 780 de milioane de ani după Big Bang. Observarea obiectelor la această distanță este extrem de dificilă, nu numai din cauza distanțelor mari implicate, dar din cauza faptului că o mare parte din Univers era ascunsă în spatele hidrogenului neutru. Stelele abia atunci au început să elimine acest hidrogen neutru, făcând Universul să fie transparent.
Astronomii care folosesc telescopul Subaru din Hawai au privit cu 60 de milioane de ani mai departe în timp decât oricare alți astronomi, pentru a găsi cea mai îndepărtată galaxie cunoscută din univers. În acest sens, susțin recordul lui Subaru pentru că au găsit cele mai îndepărtate și mai timpurii galaxii cunoscute. Cea mai recentă descoperire a lor este o galaxie numită I0K-1 care se află atât de departe încât astronomi o văd așa cum a apărut acum 12,88 miliarde de ani.
Această descoperire, bazată pe observații făcute de Masanori Iye de la Observatorul Astronomic Național al Japoniei (NAOJ), Kazuaki Ota de la Universitatea din Tokyo, Nobunari Kashikawa din NAOJ și altele indică faptul că galaxiile au existat doar la 780 de milioane de ani de la apariția universului. acum aproximativ 13,66 miliarde de ani ca o supă fierbinte de particule elementare.
Pentru a detecta lumina de la această galaxie, astronomii au folosit camera Suprime-Cam a telescopului Subaru echipată cu un filtru special pentru a căuta galaxii îndepărtate candidate. Au găsit 41.533 de obiecte, iar dintre aceștia au identificat două galaxii candidate pentru studii ulterioare folosind camera de obiecte slabe și spectrografia (FOCAS) de pe Subaru. Ei au descoperit că IOK-1, cel mai strălucitor dintre cei doi, are un redshift de 6.964, confirmând distanța de 12,88 miliarde de ani-lumină.
Descoperirea îi provoacă pe astronomi să stabilească exact ce s-a întâmplat între 780 și 840 de milioane de ani după Big Bang. IOK-1 este una dintre cele două galaxii din noul studiu care ar putea aparține acestei epoci îndepărtate. Având în vedere numărul de galaxii descoperite de la 840 de milioane de ani după Big Bang, echipa de cercetare se aștepta să găsească până la șase galaxii la această distanță. Raritatea comparativă de obiecte precum IOK-1 înseamnă că universul trebuie să se fi schimbat în cei 60 de milioane de ani care separă cele două epoci.
Cea mai interesantă interpretare a ceea ce s-a întâmplat este că vedem un eveniment cunoscut astronomilor drept reionizarea universului. În acest caz, la 780 de milioane de ani după Big Bang, universul avea încă suficient hidrogen neutru pentru a ne bloca viziunea asupra galaxiilor tinere prin absorbția luminii produse de stelele lor tinere fierbinți. Șaizeci de milioane de ani mai târziu, au existat suficiente stele tinere fierbinți pentru a ioniza hidrogenul neutru rămas, făcând universul să fie transparent și care să ne permită să vedem stelele lor.
O altă interpretare a rezultatelor spune că au existat mai puține galaxii tinere mari și luminoase la 780 de milioane de ani după Big Bang decât 60 de milioane de ani mai târziu. În acest caz, cea mai mare parte a reionizării ar fi avut loc mai devreme decât acum 12,88 miliarde de ani.
Indiferent ce interpretare predomină în sfârșit, descoperirea semnalează că astronomiștii excavau lumina din „Evul Întunecat” al universului. Aceasta este epoca când au apărut primele generații de stele și galaxii și o epocă pe care astronomii nu au putut să o observe până acum.
INFORMAȚII GENERALE:
Arheologia universului timpuriu folosind filtre speciale
Galaxiile nou-născuților conțin stele cu o gamă largă de mase. Stelele mai grele au temperaturi mai ridicate și emit radiații ultraviolete care încălzește și ionizează gazele din apropiere. Pe măsură ce gazul se răcește, radiază excesul de energie, astfel încât să poată reveni la o stare neutră. În acest proces, hidrogenul va emite întotdeauna lumină la 121.6 nanometri, numită linia Lyman-alfa. Orice galaxie cu multe stele fierbinți ar trebui să strălucească puternic la această lungime de undă. Dacă stelele se formează toate dintr-o dată, cele mai strălucitoare stele ar putea produce emisii Lyman-alfa timp de 10 până la 100 de milioane de ani.
Pentru a studia galaxii precum IOK-1 care există în timpuri timpurii în univers, astronomii trebuie să caute lumina Lyman-alfa care este întinsă și redusă spre lungimi de undă mai lungi pe măsură ce universul se extinde. Cu toate acestea, la lungimi de undă mai mari de 700 nanometri, astronomii trebuie să se ocupe cu emisiile primare din moleculele OH din atmosfera Pământului care interferează cu emisiile slabe de la obiecte îndepărtate.
Pentru a detecta lumina slabă de la galaxii îndepărtate, echipa de cercetare a observat lungimi de undă unde atmosfera Pământului nu strălucește prea mult, prin ferestrele la 711, 816 și 921 nanometri. Aceste ferestre corespund emisiilor reduse ale Lyman-alfa din galaxii cu redshifturi de 4,8, 5,7 și, respectiv, 6,6. Aceste numere indică cât de mic este comparat universul cu acum și corespund 1,26 miliarde de ani, 1,01 miliarde de ani și 840 milioane de ani după Big Bang. Acest lucru este ca și cum ar face arheologia universului timpuriu cu filtre speciale care să le permită oamenilor de știință să vadă în diferite straturi ale unei săpături.
Pentru a obține rezultatele lor spectaculoase, echipa a trebuit să dezvolte un filtru sensibil la lumină cu lungimi de undă doar în jur de 973 nanometri, ceea ce corespunde cu emisia Lyman alfa la un redshift de 7,0. Această lungime de undă este la limita CCD-urilor moderne, care pierd sensibilitatea la lungimi de undă mai mari de 1000 nanometri. Acest filtru de acest gen, numit NB973, folosește tehnologia de acoperire cu mai multe straturi și a avut nevoie de mai mult de doi ani pentru a se dezvolta. Nu numai că filtrul trebuia să treacă lumina cu lungimi de undă doar în jur de 973 nanometri, dar trebuia să acopere uniform întregul câmp de vedere al focalizării principale a telescopului. Echipa a colaborat cu o companie, Asahi Spectra Co.Ltd, pentru a proiecta un filtru prototip pe care să-l folosească cu Camera de obiecte slab Subaru și apoi a aplicat această experiență pentru a realiza filtrul pentru Suprime-Cam.
Observațiile
Observațiile cu filtrul NB973 au avut loc în primăvara anului 2005. După mai mult de 15 ore de expunere, datele obținute au atins o mărime limitativă de 24,9. În această imagine erau 41.533 de obiecte, dar o comparație cu imaginile luate la alte lungimi de undă a arătat că doar două dintre obiecte erau strălucitoare doar în imaginea NB973. Echipa a ajuns la concluzia că doar cele două obiecte ar putea fi galaxii la un redshift de 7.0. Următoarea etapă a fost confirmarea identității celor două obiecte, IOK-1 și IOK-2, iar echipa le-a observat cu aparatul de fotografiat Obiecte slabe și spectrograf (FOCAS) de pe telescopul Subaru. După 8,5 ore de timp de expunere, echipa a reușit să obțină un spectru al unei linii de emisie de la cel mai luminos dintre cele două obiecte, IOK-1. Spectrul său a prezentat un profil asimetric care este caracteristic pentru emisia Lyman-alfa dintr-o galaxie îndepărtată. Linia de emisie a fost centrată la o lungime de undă de 968,2 nanometri (redshift 6.964), ceea ce corespunde unei distanțe de 12,88 miliarde de ani-lumină și timp de 780 de milioane de ani după Big Bang.
Identitatea celei de-a doua Galaxy Candidate
Trei ore de timp de observație nu au obținut rezultate concludente pentru a determina natura IOK-2. De atunci, echipa de cercetare a obținut mai multe date care sunt acum analizate. Este posibil ca IOK-2 să fie o altă galaxie îndepărtată sau să poată fi un obiect cu luminozitate variabilă. De exemplu, o galaxie cu supernova sau o gaură neagră înghițind în mod activ material care tocmai s-a întâmplat să apară luminos în timpul observațiilor cu filtrul NB973. (Observațiile din celelalte filtre au fost făcute cu unu-doi ani mai devreme.)
Câmpul adânc Subaru
Telescopul Subaru este deosebit de potrivit pentru căutarea celor mai îndepărtate galaxii. Dintre toate telescoapele din 8 până la 10 metri din lume, este singurul care are capacitatea de a monta o cameră la focalizare primordială. Focusul principal, în partea de sus a tubului telescopului, are avantajul unui câmp vizual larg. Drept urmare, Subaru domină în prezent lista celor mai îndepărtate galaxii cunoscute. Multe dintre acestea se află într-o regiune a cerului, în direcția constelației Coma Berenices numită Subaru Deep Field pe care echipa de cercetare a selectat-o pentru un studiu intens la multe lungimi de undă.
Istoria timpurie a Universului și formarea primelor galaxii
Pentru a pune această realizare Subaru în context, este important să trecem în revistă ceea ce știm despre istoria universului timpuriu. Universul a început cu Big Bang, care a avut loc în urmă cu aproximativ 13,66 miliarde de ani într-un haos înfocat cu temperaturi și presiuni extreme. În primele sale trei minute, universul infantil s-a extins și s-a răcit rapid, producând nuclee de elemente ușoare, cum ar fi hidrogen și heliu, dar foarte puține nuclee cu elemente mai grele. În 380.000 de ani, lucrurile s-au răcit până la o temperatură de aproximativ 3.000 de grade. În acel moment, electronii și protonii s-ar putea combina pentru a forma hidrogen neutru.
Cu electronii acum legați de nucleii atomici, lumina ar putea călători prin spațiu fără a fi împrăștiată de electroni. Putem detecta de fapt lumina care a pătruns universul pe atunci. Cu toate acestea, datorită timpului și distanței, acesta a fost întins cu un factor de 1.000, umplând universul cu radiații pe care le detectăm ca microunde (numite fundalul microundelor cosmice). Nava spațială Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a studiat această radiație, iar datele sale au permis astronomilor să calculeze vârsta universului la aproximativ 13,66 miliarde de ani. În plus, aceste date implică existența unor lucruri precum materia întunecată și și mai enigmatică energie întunecată.
Astronomii cred că în primele câteva sute de milioane de ani după Big Bang, universul a continuat să se răcească și că prima generație de stele și galaxii s-a format în cele mai dense regiuni ale materiei și ale materiei întunecate. Această perioadă este cunoscută sub numele de „Evul Întunecat” al universului. Nu există încă observații directe ale acestor evenimente, așa că astronomii folosesc simulări pe computer pentru a lega predicțiile teoretice și dovezile observaționale existente pentru a înțelege formarea primelor stele și galaxii.
Odată ce stelele strălucitoare se nasc, radiațiile lor ultraviolete pot ioniza atomii de hidrogen din apropiere prin împărțirea lor în electroni și protoni separați. La un moment dat, au existat suficiente stele luminoase pentru a ioniza aproape tot hidrogenul neutru din univers. Acest proces se numește reionizarea universului. Epoca reionizării semnalează sfârșitul Evului Întunecat al universului. Astăzi cea mai mare parte a hidrogenului din spațiul dintre galaxii este ionizat.
Identificarea Epocii Reionizării
Astronomii au estimat că reionizarea a avut loc cândva între 290 până la 910 milioane de ani de la nașterea universului. Identificarea începutului și sfârșitului epocii reionizării este una dintre etapele importante pentru înțelegerea modului în care evoluează universul și este o zonă de studiu intensă în cosmologie și astrofizică.
Se pare că, pe măsură ce privim mai departe în timp, galaxiile sunt din ce în ce mai rare. Numărul de galaxii cu un redshift de 7,0 (ceea ce corespunde unui timp de aproximativ 780 de milioane de ani după Big Bang) pare mai mic decât ceea ce văd astronomii la un redshift de 6,6 (ceea ce corespunde unui timp de aproximativ 840 de milioane de ani după Big Bang) . Deoarece numărul galaxiilor cunoscute la un redshift de 7,0 este încă mic (doar una!), Este dificil să se facă comparații statistice solide. Cu toate acestea, este posibil ca scăderea numărului de galaxii la un redshift mai mare să se datoreze prezenței hidrogenului neutru care absoarbe emisia Lyman-alfa din galaxii la redshift mai mare. Dacă cercetările ulterioare pot confirma că densitatea numărului de galaxii similare scade între un redshift de 6,6 și 7,0, ar putea însemna că IOK-1 a existat în perioada de reionizare a universului.
Aceste rezultate vor fi publicate în ediția „Nature” din 14 septembrie 2006.
Sursa originală: Comunicat de presă Subaru
