Výkonný dalekohled Subaru v Hawai'i našel nejvzdálenější galaxii, jakou kdy viděl, která se nachází 12,88 miliard světelných let - to je jen 780 milionů let po Velkém třesku. Pozorování objektů je tato vzdálenost nesmírně obtížná, a to nejen kvůli velkým vzdálenostem, ale také proto, že velká část vesmíru byla zakryta za neutrálním vodíkem. Hvězdy teprve poté začaly čistit tento neutrální vodík, čímž byl vesmír průhledný.
Astronomové používající dalekohled Subaru v Hawai'i hledali o 60 miliónů let dále zpět než ostatní astronomové, aby našli nejvzdálenější známou galaxii ve vesmíru. Přitom prosazují Subaruův rekord pro nalezení nejvzdálenějších a nejstarších známých galaxií. Jejich nejnovější objev je galaxie zvaná I0K-1, která leží tak daleko, že ji vidí astronomové, jak se zdálo před 12,88 miliardami let.
Tento objev založený na pozorováních Masanoriho Iye z Národní astronomické observatoře Japonska (NAOJ), Kazuaki Oty z Tokijské univerzity, Nobunari Kashikawa z NAOJ a dalších naznačuje, že galaxie existovaly pouze 780 milionů let poté, co vesmír vznikl asi před 13,66 miliardami let jako horká polévka elementárních částic.
K detekci světla z této galaxie použili astronomové Suprime-Cam kameru Subaru vybavenou speciálním filtrem, aby hledali kandidátské vzdálené galaxie. Našli 41 413 objektů a z nich identifikovali dvě kandidátské galaxie pro další studium pomocí kamery Faint Object Camera a Spectrograph (FOCAS) na Subaru. Zjistili, že IOK-1, světlejší z nich, má červený posun 6,964, což potvrzuje jeho vzdálenost 12,88 miliard světelných let.
Objev vyzval astronomy, aby přesně určili, co se stalo mezi 780 a 840 miliony let po Velkém třesku. IOK-1 je jednou z pouhých dvou galaxií v nové studii, která by mohla patřit do této vzdálené epochy. Vzhledem k počtu galaxií, které byly objeveny od 840 milionů let po Velkém třesku, výzkumný tým očekával, že v této vzdálenosti najde až šest galaxií. Srovnávací vzácnost předmětů, jako je IOK-1, znamená, že vesmír se musel změnit za 60 milionů let, které oddělují dvě epochy.
Nejúžasnější interpretace toho, co se stalo, je to, že vidíme událost známou astronomům jako reionizaci vesmíru. V tomto případě, 780 miliónů let po Velkém třesku, měl vesmír stále dost neutrálního vodíku, aby zablokoval náš pohled na mladé galaxie tím, že absorboval světlo produkované jejich horkými mladými hvězdami. O šedesát milionů let později bylo dost horkých mladých hvězd k ionizaci zbývajícího neutrálního vodíku, díky čemuž byl vesmír průhledný a umožnil nám vidět jejich hvězdy.
Jiná interpretace výsledků říká, že po Velkém třesku bylo méně než o 60 milionů let později velké a jasné mladé galaxie o 780 milionů let. V tomto případě by k většině reionizace došlo dříve než před 12,88 miliardami let.
Bez ohledu na to, která interpretace nakonec převládá, objev objevuje, že astronomové nyní vykořisťují světlo z „temného věku“ vesmíru. Toto je epocha, kdy vznikly první generace hvězd a galaxií, a epocha, kterou astronomové dosud nemohli pozorovat.
INFORMACE O POZADÍ:
Archeologie raného vesmíru pomocí speciálních filtrů
Novorozené galaxie obsahují hvězdy se širokou škálou hmot. Těžší hvězdy mají vyšší teploty a emitují ultrafialové záření, které ohřívá a ionizuje blízký plyn. Jak se plyn ochladí, vyzařuje přebytečnou energii, takže se může vrátit do neutrálního stavu. V tomto procesu bude vodík vždy emitovat světlo na 121,6 nanometrů, nazývané Lyman-alfa linie. Každá galaxie s mnoha horkými hvězdami by měla jasně svítit na této vlnové délce. Pokud se hvězdy vytvoří najednou, nejjasnější hvězdy by mohly produkovat Lyman-alfa emisi po dobu 10 až 100 milionů let.
Abychom mohli studovat galaxie typu IOK-1, které existují v raných dobách vesmíru, musí astronomové hledat Lyman-alfa světlo, které se při rozšiřování vesmíru roztáhne a přesune na delší vlnové délky. Při vlnových délkách delších než 700 nanometrů se však astronomové musí vypořádat s emisemi v popředí z molekul OH ve vlastní zemské atmosféře, které ruší slabé emise ze vzdálených objektů.
Aby bylo možné detekovat slabé světlo ze vzdálených galaxií, výzkumný tým pozoroval na vlnových délkách, kde zemská atmosféra příliš nezářila, okny ve výšce 711, 816 a 921 nanometrů. Tato okna odpovídají červeně posunuté emisi Lyman-alfa z galaxií s červeným posunem 4,8, 5,7, respektive 6,6. Tato čísla ukazují, jak daleko byl vesmír ve srovnání s dneškem a odpovídají 1,26 miliardám rokům, 1,01 miliardám rokům a 840 miliónům let po Velkém třesku. Je to jako dělat archeologii raného vesmíru se zvláštními filtry, které vědcům umožňují vidět do různých vrstev výkopu.
K získání jejich úžasných nových výsledků musel tým vyvinout filtr citlivý na světlo s vlnovými délkami pouze kolem 973 nanometrů, což odpovídá emisi Lymana alfa při červeném posunu 7,0. Tato vlnová délka je na hranici moderních CCD, které ztrácejí citlivost na vlnových délkách delších než 1000 nanometrů. Tento typ svého druhu, nazývaný NB973, používá technologii vícevrstvého lakování a vývoj trvalo více než dva roky. Filtr nejenže musel procházet světlem s vlnovými délkami pouze kolem 973 nanometrů, ale musel také rovnoměrně pokrývat celé zorné pole hlavního zaměření dalekohledu. Tým spolupracoval s firmou Asahi Spectra Co.Ltd, aby navrhl prototypový filtr pro použití s fotoaparátem Faru Object Subaru a poté tento zážitek využil k vytvoření filtru pro Suprime-Cam.
Pozorování
Pozorování s filtrem NB973 proběhla na jaře 2005. Po více než 15 hodinách expozice dosáhly získané údaje mezní hodnoty 24,9. Na tomto obrázku bylo 41 533 objektů, ale srovnání s obrázky pořízenými na jiných vlnových délkách ukázalo, že pouze dva z těchto objektů byly jasné pouze v obrázku NB973. Tým dospěl k závěru, že pouze tyto dva objekty mohou být galaxiemi s červeným posunem 7,0. Dalším krokem bylo potvrzení totožnosti těchto dvou objektů, IOK-1 a IOK-2, a tým je pozoroval pomocí kamery slabých objektů a spektrografu (FOCAS) na dalekohledu Subaru. Po 8,5 hodinách expozice byl tým schopen získat spektrum emisní čáry od jasnějšího z obou objektů, IOK-1. Jeho spektrum ukázalo asymetrický profil, který je charakteristický pro Lyman-alfa emisi ze vzdálené galaxie. Emisní čára byla vystředěna na vlnové délce 968,2 nanometrů (redshift 6,964), což odpovídá vzdálenosti 12,88 miliard světelných let a času 780 milionů let po Velkém třesku.
Identita druhé kandidátské galaxie
Tři hodiny pozorovacího času nepřinesly žádné přesvědčivé výsledky pro stanovení povahy IOK-2. Výzkumný tým od té doby získal více dat, která se nyní analyzují. Je možné, že IOK-2 může být další vzdálenou galaxií, nebo to může být objekt s proměnlivým jasem. Například galaxie se supernovovou nebo černou dírou aktivně spolkne materiál, který se právě při pozorování s filtrem NB973 objevil jako jasný. (Pozorování ostatních filtrů byla provedena o jeden až dva roky dříve.)
Hluboké pole Subaru
Dalekohled Subaru je zvláště vhodný pro hledání nejvzdálenějších galaxií. Ze všech 8 až 10 metrů dalekohledů na světě je to jediný, kdo je schopen namontovat kameru s hlavním zaměřením. Hlavní ohnisko v horní části trubice dalekohledu má výhodu širokého zorného pole. Výsledkem je, že Subaru v současné době dominuje na seznamu nejvzdálenějších známých galaxií. Mnoho z nich je v oblasti oblohy ve směru souhvězdí Coma Berenices nazvané Subaru Deep Field, které výzkumný tým vybral pro intenzivní studium na mnoha vlnových délkách.
Raná historie vesmíru a formování prvních galaxií
Abychom tento úspěch Subaru uvedli do kontextu, je důležité přezkoumat, co víme o historii raného vesmíru. Vesmír začal Velkým třeskem, k němuž došlo asi před 13,66 miliardami let v ohnivém chaosu extrémní teploty a tlaku. Během prvních tří minut se kojenecký vesmír rychle rozšířil a ochladil a vytvořil jádra lehkých prvků, jako je vodík a helium, ale jen velmi málo jader těžších prvků. Za 380 000 let se věci ochladily na teplotu kolem 3 000 stupňů. V tu chvíli se mohly elektrony a protony spojit za vzniku neutrálního vodíku.
S elektrony, které jsou nyní vázány na atomová jádra, mohlo světlo cestovat vesmírem, aniž by je elektrony rozptylovaly. Můžeme skutečně detekovat světlo, které tehdy prošlo vesmírem. Nicméně, kvůli času a vzdálenosti, to bylo natažené faktorem 1 000, vyplňování vesmíru radiací, kterou detekujeme jako mikrovlny (nazývané Cosmic Microwave Background). Kosmická sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) studovala toto záření a jeho údaje umožnily astronomům vypočítat věk vesmíru na asi 13,66 miliard let. Navíc tato data naznačují existenci takových věcí, jako je temná hmota a ještě tajemnější temná energie.
Astronomové se domnívají, že během několika prvních stovek milionů let po Velkém třesku vesmír pokračoval v chladu a že první generace hvězd a galaxií se tvořila v nejhustších oblastech hmoty a temné hmoty. Toto období se nazývá „temné věky“ vesmíru. Dosud nejsou žádná přímá pozorování těchto událostí, takže astronomové používají počítačové simulace k propojení teoretických předpovědí a existujících pozorovacích důkazů, aby pochopili vznik prvních hvězd a galaxií.
Jakmile se zrodí jasné hvězdy, jejich ultrafialové záření může ionizovat blízké atomy vodíku tím, že je rozdělí zpět na samostatné elektrony a protony. V určitém okamžiku bylo dost jasných hvězd, aby ionizovaly téměř veškerý neutrální vodík ve vesmíru. Tento proces se nazývá reionizace vesmíru. Epocha reionizace signalizuje konec temného věku vesmíru. Dnes je většina vodíku v prostoru mezi galaxiemi ionizována.
Určení epochy reionizace
Astronomové odhadli, že k reionizaci došlo někdy mezi 290 až 910 miliony let po narození vesmíru. Určení počátku a konce epochy reionizace je jedním z důležitých odrazových můstků k pochopení vývoje vesmíru a je oblastí intenzivního studia kosmologie a astrofyziky.
Zdá se, že když se podíváme dále v čase, galaxie jsou vzácnější a vzácnější. Počet galaxií s červeným posunem 7,0 (což odpovídá času asi 780 milionů let po Velkém třesku) se zdá menší než to, co vidí astronomové při červeném posunu 6,6 (což odpovídá době asi 840 milionů let po Velkém třesku) . Protože počet známých galaxií při červeném posunu 7,0 je stále malý (pouze jedna!), Je obtížné provést robustní statistická srovnání. Je však možné, že pokles počtu galaxií při vyšším červeném posunu je způsoben přítomností neutrálního vodíku absorbujícího emise Lyman-alfa z galaxií při vyšším červeném posunu. Pokud by další výzkum mohl potvrdit, že hustota počtu podobných galaxií klesá mezi červeným posunem 6,6 a 7,0, mohlo by to znamenat, že IOK-1 existoval během epochy reionizace vesmíru.
Tyto výsledky budou zveřejněny 14. září 2006, vydání časopisu Nature.
Původní zdroj: Subaru News Release
