Galingas „Subaru“ teleskopas Havajuose rado tolimiausią kada nors matytą galaktiką, esančią 12,88 milijardo šviesmečių atstumu - tai yra tik 780 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Stebėti tolimus objektus yra labai sunku ne tik dėl didelių atstumų, bet ir dėl to, kad didelę dalį Visatos užtemdė neutralus vandenilis. Žvaigždės tik tada pradėjo išvalyti šį neutralų vandenilį, todėl Visata tapo skaidri.
Astronomai, naudojantys „Subaru“ teleskopą Havajuose, pažvelgė į 60 milijonų metų atgal į praeitį nei kiti astronomai, norėdami rasti tolimiausią žinomą galaktiką visatoje. Tai darydami, jie palaiko „Subaru“ įrašus, kad surastų tolimiausias ir ankstyviausias žinomas galaktikas. Naujausias jų atradimas yra galaktika, vadinama I0K-1, kuri yra taip toli, kad astronomai mato ją tokią, kokia ji pasirodė prieš 12,88 milijardo metų.
Šis atradimas, pagrįstas Japonijos nacionalinės astronomijos observatorijos (NAOJ) Masanori Iye, Tokijo universiteto Kazuaki Ota, NAOJ Nobunari Kashikawa ir kitų stebėjimais, rodo, kad galaktikos egzistavo tik 780 milijonų metų po visatos atsiradimo. maždaug prieš 13,66 milijardo metų kaip karšta elementariųjų dalelių sriuba.
Norėdami aptikti šios galaktikos šviesą, astronomai ieškojo tolimų galaktikų kandidatų, naudodami „Subaru“ teleskopo „Suprime-Cam“ kamerą, aprūpintą specialiu filtru. Jie rado 41 533 objektus, o iš jų identifikuotos dvi kandidačių galaktikos, reikalingos tolimesniam tyrimui, naudojant silpno objekto kamerą ir spektrografą (FOCAS) ant Subaru. Jie nustatė, kad IOK-1, ryškesnio iš dviejų, raudonojo poslinkio vertė yra 6,964, patvirtinantį jo atstumą 12,88 milijardo šviesmečių atstumu.
Šis atradimas verčia astronomus tiksliai nustatyti, kas nutiko nuo 780 iki 840 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. IOK-1 yra viena iš dviejų naujojo tyrimo galaktikų, galinčių priklausyti šiai tolimai epochai. Atsižvelgiant į galaktikų, kurios buvo atrastos nuo 840 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, skaičių, tyrimo komanda tikėjosi rasti net šešias galaktikas šiuo atstumu. Lyginamasis objektų, tokių kaip IOK-1, retenybė reiškia, kad visata per 60 milijonų metų, kurie skiria dvi epochas, turėjo pasikeisti.
Labiausiai jaudinantis to, kas atsitiko, aiškinimas yra tas, kad mes matome įvykį, žinomą astronomams kaip visatos reionizaciją. Šiuo atveju, praėjus 780 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, visata vis dar turėjo pakankamai neutralaus vandenilio, kad užblokuotų mūsų vaizdą apie jaunas galaktikas, absorbuodama jų karštų jaunų žvaigždžių skleidžiamą šviesą. Po šešiasdešimt milijonų metų buvo pakankamai karštų jaunų žvaigždžių, kad jonizuotų likusį neutralų vandenilį, todėl Visata tampa skaidri ir leidžia mums pamatyti jų žvaigždes.
Kitas rezultatų aiškinimas sako, kad 780 milijonų metų po Didžiojo sprogimo buvo mažiau didelių ir šviesių jaunų galaktikų nei 60 milijonų metų vėliau. Šiuo atveju didžioji dalis reionizacijos būtų įvykusi anksčiau nei prieš 12,88 milijardo metų.
Nesvarbu, koks aiškinimas galiausiai vyrauja, atradimas signalizuoja, kad astronomai dabar skleidžia šviesą iš visatos „tamsiųjų amžių“. Tai epocha, kai atsirado pirmosios žvaigždžių ir galaktikų kartos, ir epocha, kurios astronomai iki šiol negalėjo pastebėti.
PAPILDOMA INFORMACIJA:
Ankstyvosios visatos archeologija naudojant specialius filtrus
Naujagimių galaktikose yra žvaigždžių, turinčių platų masę. Sunkesnės žvaigždės turi aukštesnę temperatūrą ir skleidžia ultravioletinę spinduliuotę, kuri šildo ir jonizuoja šalia esančias dujas. Kai dujos aušina, jos spinduliuoja energijos perteklių, kad galėtų grįžti į neutralią būseną. Šiame procese vandenilis visada skleis šviesą esant 121,6 nanometrų, vadinamai Lyman-alfa linija. Bet kuri galaktika su daugybe karštų žvaigždžių turėtų ryškiai spindėti tokiu bangos ilgiu. Jei žvaigždės susiformuos iš karto, ryškiausios žvaigždės gali sukelti Lyman-alfa emisiją 10–100 milijonų metų.
Norėdami ištirti tokias galaktikas kaip IOK-1, egzistuojančias ankstyvaisiais Visatoje laikais, astronomai turi ieškoti Lyman-alfa šviesos, kuri, ištempiant Visatą, yra ištempta ir vėl perkelta į ilgesnius bangos ilgius. Tačiau, kai bangos ilgis yra didesnis nei 700 nanometrų, astronomai turi spręsti apie į atmosferą išmetamų OH molekulių išmetimą į savo atmosferą, kuris trukdo silpnai skleisti tolimus objektus.
Tyrinėtojų komanda, siekdama aptikti silpną tolimų galaktikų šviesą, pro langus 711, 816 ir 921 nanometrų bangomis stebėjo bangų ilgio vietose, kur Žemės atmosfera mažai švyti. Šie langai atitinka raudonai pasibaigusią Lyman-alfa emisiją iš galaktikų, kurių raudoni poslinkiai yra atitinkamai 4,8, 5,7 ir 6,6. Šie skaičiai rodo, kiek mažesnė visata buvo palyginti su dabar, ir atitinka 1,26 milijardo metų, 1,01 milijardo metų ir 840 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Tai yra tarsi ankstyvosios visatos archeologija, atliekant tam tikrus filtrus, leidžiančius mokslininkams pamatyti skirtingus kasinėjimo sluoksnius.
Kad gautų įspūdingus naujus rezultatus, komanda turėjo sukurti šviesai jautrų filtrą, kurio bangos ilgis būtų tik apie 973 nanometrai, o tai atitinka Lymano alfa emisiją, kai raudonoji poslinkis yra 7,0. Šis bangos ilgis yra ties šiuolaikinių CCD, kurie praranda jautrumą, kai bangos ilgis viršija 1000 nanometrų, ribą. Šis vieno tipo filtras, vadinamas NB973, naudoja daugiasluoksnę dangos technologiją, ir jo sukūrimas užtruko daugiau nei dvejus metus. Filtras ne tik turėjo praeiti šviesą, kai bangos ilgis buvo tik apie 973 nanometrus, bet ir tolygiai turėjo apimti visą teleskopo pagrindinio židinio matymo lauką. Komanda dirbo su įmone „Asahi Spectra Co.Ltd“, norėdama sukonstruoti filtro prototipą, kurį būtų galima naudoti su „Subaru“ „Faint Object Camera“, ir pritaikė šią patirtį kurdama „Suprime-Cam“ filtrą.
Stebėjimai
Stebėjimai naudojant NB973 filtrą buvo atlikti 2005 m. Pavasarį. Po daugiau nei 15 valandų veikimo laiko gauti duomenys pasiekė ribinį 24,9 laipsnį. Šiame paveikslėlyje buvo 41 533 objektai, tačiau palyginimas su atvaizdais, padarytais kitu bangos ilgiu, parodė, kad tik du iš objektų buvo ryškūs tik NB973 atvaizde. Komanda padarė išvadą, kad tik šie du objektai gali būti galaktikos, kai raudonasis poslinkis yra 7,0. Kitas žingsnis buvo patvirtinti dviejų objektų, IOK-1 ir IOK-2, tapatumą, o komanda juos stebėjo „Subaru“ teleskopu naudodama silpnų objektų kamerą ir spektrografą (FOCAS). Praėjus 8,5 valandos ekspozicijos, komanda sugebėjo gauti spinduliuotės linijos spektrą iš dviejų objektų šviesesniojo, IOK-1. Jo spektras parodė asimetrinį profilį, būdingą Lymano alfa emisijai iš tolimos galaktikos. Emisijos linija buvo sutelkta ties 968,2 nanometrų bangos ilgio (raudonojo poslinkio 6.964) ilgio atstumu, kuris atitinka 12,88 milijardo šviesos metų atstumą ir 780 milijonų metų laiką po Didžiojo sprogimo.
Antrosios kandidatų galaktikos tapatumas
Trys valandos stebėjimo nedavė jokių įtikinamų rezultatų nustatant IOK-2 pobūdį. Nuo to laiko tyrimų komanda surinko daugiau duomenų, kurie dabar analizuojami. Gali būti, kad IOK-2 gali būti dar viena tolima galaktika, arba tai gali būti kintamo ryškumo objektas. Pavyzdžiui, galaktika su supernova arba juodoji skylė, aktyviai nuryjanti medžiagą, kuri, stebėjimų metu naudojant NB973 filtrą, ką tik nutiko, pasirodė ryški. (Stebėjimai kituose filtruose buvo atlikti vieneriais ar dvejais metais anksčiau.)
„Subaru“ gilus laukas
„Subaru“ teleskopas ypač gerai tinka ieškoti tolimiausių galaktikų. Iš visų 8–10 metrų klasės teleskopų pasaulyje jis yra vienintelis, turintis galimybę pritvirtinti fotoaparatą svarbiausio fokusavimo metu. Pagrindinis dėmesys teleskopo vamzdžio viršuje turi plataus matymo lauko pranašumą. Dėl to „Subaru“ šiuo metu dominuoja tolimiausių žinomų galaktikų sąraše. Daugelis iš jų yra dangaus regione Coma Berenices žvaigždyno kryptimi, vadinamu „Subaru“ giluminiu lauku, kurį tyrėjų komanda pasirinko intensyviam tyrimui daugelyje bangų ilgių.
Ankstyvoji Visatos istorija ir pirmųjų galaktikų susiformavimas
Norint įtraukti šį „Subaru“ pasiekimą į kontekstą, svarbu peržiūrėti tai, ką žinome apie ankstyvosios visatos istoriją. Visata prasidėjo nuo didžiojo sprogimo, kuris įvyko maždaug prieš 13,66 milijardo metų ugningo chaoso metu dėl nepaprastos temperatūros ir slėgio. Per pirmąsias tris minutes kūdikių visata greitai išsiplėtė ir atvėso, sukurdama lengvųjų elementų, tokių kaip vandenilis ir helis, branduolius, bet labai nedaug sunkesnių elementų branduolių. Per 380 000 metų viskas atvėso iki maždaug 3000 laipsnių temperatūros. Tuo metu elektronai ir protonai galėtų susijungti ir sudaryti neutralų vandenilį.
Kai elektronai dabar yra sujungti su atominiais branduoliais, šviesa galėtų keliauti per kosmosą, neišsklaidyta elektronų. Mes iš tikrųjų galime aptikti tada visatą persmelkusią šviesą. Tačiau dėl laiko ir atstumo jis buvo ištemptas koeficientu 1000, užpildydamas Visatą radiacija, kurią aptinkame kaip mikrobangas (vadinamą kosminės mikrobangos fone). Erdvėlaivis „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“ (WMAP) ištyrė šią radiaciją ir jos duomenys leido astronomams apskaičiuoti visatos amžių maždaug 13,66 milijardo metų. Be to, šie duomenys rodo tokių dalykų kaip tamsiosios materijos ir dar labiau mįslingos tamsiosios energijos egzistavimą.
Astronomai mano, kad per pirmuosius kelis šimtus milijonų metų po Didžiojo sprogimo Visata toliau atvėso ir kad tankiausios materijos ir tamsiosios materijos srityse susidarė pirmoji žvaigždžių ir galaktikų karta. Šis laikotarpis yra žinomas kaip „tamsieji Visatos amžiai“. Šių įvykių tiesioginių stebėjimų dar nėra, todėl astronomai naudoja kompiuterines simuliacijas, kad susietų teorines prognozes ir esamus stebėjimo įrodymus, kad suprastų pirmųjų žvaigždžių ir galaktikų susidarymą.
Gimus ryškioms žvaigždėms, jų ultravioletinė spinduliuotė gali jonizuoti netoliese esančius vandenilio atomus, suskaidydama juos į atskirus elektronus ir protonus. Tam tikru metu buvo pakankamai ryškių žvaigždžių, kad jonizuotų beveik visą neutralų vandenilį visatoje. Šis procesas vadinamas visatos reionizacija. Reionizacijos epocha žymi Visatos tamsiųjų amžių pabaigą. Šiandien didžioji dalis vandenilio erdvėje tarp galaktikų yra jonizuota.
Reionizacijos epochos išaiškinimas
Astronomai apskaičiavo, kad reionizacija įvyko maždaug nuo 290 iki 910 milijonų metų po Visatos gimimo. Tikslus reionizacijos epochos pradžios ir pabaigos nustatymas yra vienas iš svarbiausių žingsnių suvokiant, kaip visata vystosi, ir tai yra intensyvių kosmologijos ir astrofizikos studijų sritis.
Atrodo, kad žiūrint į tolimesnį laiką atgal, galaktikos tampa vis retesnės ir retesnės. 7,0 raudonojo poslinkio galaktikų skaičius (kuris atitinka laiką, praėjusį maždaug 780 milijonų metų po Didžiojo sprogimo) atrodo mažesnis nei tai, ką mato astronomai 6,6 raudonojo poslinkio metu (tai atitinka laiką, praėjusį maždaug 840 milijonų metų po Didžiojo sprogimo). . Kadangi žinomų galaktikų skaičius per 7.0 raudonojo poslinkio vis dar yra nedidelis (tik viena!), Sunku atlikti patikimus statistinius palyginimus. Tačiau gali būti, kad galaktikų skaičiaus sumažėjimą esant didesniam raudonojo poslinkio pokyčiui lemia neutralus vandenilis, absorbuojantis Lymano alfa emisiją iš galaktikų didesnio raudonojo poslinkio metu. Jei tolesni tyrimai gali patvirtinti, kad panašių galaktikų skaičiaus tankis mažėja tarp raudonojo poslinkio nuo 6,6 iki 7,0, tai gali reikšti, kad IOK-1 egzistavo Visatos reionizacijos epochoje.
Šie rezultatai bus paskelbti 2006 m. Rugsėjo 14 d. Leidinyje „Nature“.
Originalus šaltinis: „Subaru“ naujienų leidinys
