Мощният телескоп Subaru в Хавай открива най-далечната галактика, виждана някога, намираща се на разстояние 12,88 милиарда светлинни години - това е само 780 милиона години след Големия взрив. Наблюдаването на обекти в това далечно е изключително трудно не само поради големите разстояния, но и защото голяма част от Вселената е била затъмнена зад неутрален водород. Звездите едва тогава започнаха да изчистват този неутрален водород, правейки Вселената прозрачна.
Астрономите, използващи телескопа Subaru на Хавай, са погледнали 60 милиона години по-далеч назад във времето от всички други астрономи, за да намерят най-далечната известна галактика във Вселената. По този начин те поддържат рекорда на Subaru за намиране на най-отдалечените и най-ранните известни галактики. Най-новото им откритие е на галактика, наречена I0K-1, която лежи толкова далеч, че астрономите я виждат така, както се е появила преди 12,88 милиарда години.
Това откритие, основано на наблюдения, направени от Масанори Айе от Националната астрономическа обсерватория на Япония (NAOJ), Казуаки Ота от Университета в Токио, Нобунари Кашикава от NAOJ и други, показва, че галактиките са съществували само 780 милиона години след създаването на Вселената преди около 13,66 милиарда години като гореща супа от елементарни частици.
За да открият светлината от тази галактика, астрономите са използвали камерата Suprime-Cam на телескопа Subaru, оборудвана със специален филтър, за да търсят кандидат-далечни галактики. Те откриха 41 533 обекта и от тях идентифицираха две кандидат-галактики за по-нататъшно проучване, използвайки камерата и спектрографа „Облекчен обект“ (FOCAS) на Subaru. Те откриха, че IOK-1, по-светлият от двете, има червено изместване от 6.964, което потвърждава разстоянието от 12,88 милиарда светлинни години.
Откритието предизвиква астрономите да определят точно какво се е случило между 780 и 840 милиона години след Големия взрив. IOK-1 е една от само двете галактики в новото изследване, които биха могли да принадлежат към тази далечна епоха. Като се има предвид броят на галактиките, които са открити от 840 милиона години след Големия взрив, изследователският екип очакваше да открие до шест галактики на това разстояние. Сравнителната рядкост на обекти като IOK-1 означава, че Вселената трябва да се е променила през 60 милиона години, които разделят двете епохи.
Най-вълнуващото тълкуване на случилото се е, че виждаме събитие, известно на астрономите като реионизация на Вселената. В този случай, 780 милиона години след Големия взрив, Вселената все още имаше достатъчно неутрален водород, за да блокира представата ни за младите галактики, като абсорбира светлината, произведена от техните горещи млади звезди. Шестдесет милиона години по-късно имаше достатъчно горещи млади звезди, които да йонизират останалия неутрален водород, правейки Вселената прозрачна и ни позволи да видим техните звезди.
Друго тълкуване на резултатите казва, че е имало по-малко големи и светли млади галактики 780 милиона години след Големия взрив, отколкото 60 милиона години по-късно. В този случай по-голямата част от реионизацията щеше да стане по-рано от преди 12,88 милиарда години.
Без значение коя интерпретация най-накрая преобладава, откритието сигнализира, че астрономите сега изкопават светлина от „тъмните векове“ на Вселената. Това е епохата, когато се появяват първите поколения звезди и галактики, и епоха, която астрономите не са успели да наблюдават досега.
ОБЩА ИНФОРМАЦИЯ:
Археология на ранната Вселена с помощта на специални филтри
Новородените галактики съдържат звезди с широк спектър от маси. По-тежките звезди имат по-високи температури и излъчват ултравиолетово лъчение, което загрява и йонизира газ наблизо. Докато газът се охлажда, той излъчва излишната енергия, така че да може да се върне в неутрално състояние. В този процес водородът винаги ще излъчва светлина със 121,6 нанометра, наречена лиман-алфа линия. Всяка галактика с много горещи звезди трябва да свети ярко на тази дължина на вълната. Ако звездите образуват всички наведнъж, най-ярките звезди биха могли да произвеждат емисии на Лиман-алфа за 10 до 100 милиона години.
За да изучават галактики като IOK-1, които съществуват в ранните времена във Вселената, астрономите трябва да търсят Lyman-алфа светлина, която е разтегната и преместена отново към по-големи дължини на вълната с разширяването на Вселената. Въпреки това, при дължина на вълната над 700 нанометра, астрономите трябва да се справят с емисиите на преден план от молекули на ОН в атмосферата на Земята, които пречат на слабите емисии от отдалечени обекти.
За да открие слабата светлина от далечни галактики, изследователският екип наблюдаваше на дължини на вълните, където земната атмосфера не свети много, през прозорци с размери 711, 816 и 921 нанометра. Тези прозорци съответстват на червената изместена емисия на Лиман-алфа от галактики с червени смени съответно 4,8, 5,7 и 6,6. Тези цифри показват колко по-малка е вселената в сравнение с сега и съответстват на 1,26 милиарда години, 1,01 милиарда години и 840 милиона години след Големия взрив. Това е като правенето на археология на ранната Вселена с конкретни филтри, които позволяват на учените да видят в различни слоеве от разкопки.
За да постигне своите впечатляващи нови резултати, екипът трябваше да разработи филтър, чувствителен към светлина с дължина на вълната само около 973 нанометра, което съответства на емисиите на Lyman alpha при червено изместване 7,0. Тази дължина на вълната е на границата на съвременните CCD-та, които губят чувствителност при дължина на вълната, по-голяма от 1000 нанометра. Този по рода си филтър, наречен NB973, използва многослойна технология на покритие и отне повече от две години. Филтърът не само трябваше да пропуска светлина с дължина на вълната само около 973 нанометра, но също така трябваше да покрие равномерно цялото зрително поле на основния фокус на телескопа. Екипът работи с компания Asahi Spectra Co.Ltd, за да създаде прототип на филтър, който да се използва с Faint Object Camera на Subaru, и след това приложи този опит при създаването на филтъра за Suprime-Cam.
Наблюденията
Наблюденията с филтъра NB973 се проведоха през пролетта на 2005 г. След повече от 15 часа време на експозиция получените данни достигнаха гранична величина от 24,9. В това изображение имаше 41,533 обекта, но сравнение с изображения, направени на други дължини на вълната, показа, че само два от обектите са ярки само в изображението NB973. Екипът заключи, че само тези два обекта могат да бъдат галактики при червено изместване 7,0. Следващата стъпка беше да се потвърди идентичността на двата обекта, IOK-1 и IOK-2, и екипът ги наблюдава с камерата и спектрографа Faint Object (FOCAS) на телескопа Subaru. След 8,5 часа време на експозиция, екипът успя да получи спектър от емисионна линия от по-ярките на двата обекта, IOK-1. Спектърът му показва асиметричен профил, характерен за излъчването на Лиман-алфа от далечна галактика. Емисионната линия беше центрирана при дължина на вълната от 968,2 нанометра (червено изместване 6.964), което съответства на разстояние от 12,88 милиарда светлинни години и време от 780 милиона години след Големия взрив.
Идентичност на Галактиката на втория кандидат
Три часа време за наблюдение не дават никакви категорични резултати за определяне на естеството на IOK-2. След това изследователският екип е получил повече данни, които сега се анализират. Възможно е IOK-2 да е друга далечна галактика или да е обект с променлива яркост. Например галактика със свръхнова или черна дупка, активно поглъщащ материал, който току-що се случи да изглежда светъл по време на наблюденията с филтъра NB973. (Наблюденията в другите филтри бяха направени една до две години по-рано.)
Дълбокото поле на Subaru
Телескопът Subaru е особено подходящ за търсене на най-отдалечените галактики. От всички телескопи от 8 до 10 метра в света, той е единственият с възможност за монтиране на камера в основен фокус. Основният фокус в горната част на тръбата на телескопа има предимството на широко зрително поле. В резултат на това Subaru доминира в списъка на най-отдалечените известни галактики. Много от тях са в район на небето в посока на съзвездието Кома Береникс, наречено дълбоко поле на Субару, което изследователският екип е избрал за интензивно проучване на много дължини на вълната.
Ранната история на Вселената и формирането на първите галактики
За да поставим това постижение на Subaru в контекст, е важно да прегледаме това, което знаем за историята на ранната Вселена. Вселената започва с Големия взрив, възникнал преди около 13,66 милиарда години в огнен хаос от екстремни температури и налягане. В рамките на първите си три минути детската вселена бързо се разширява и охлажда, произвеждайки ядрата от леки елементи като водород и хелий, но много малко ядра от по-тежки елементи. През 380 000 години нещата са изстинали до температура от около 3000 градуса. В този момент електроните и протоните могат да се комбинират, за да образуват неутрален водород.
С електроните, които сега са свързани към атомните ядра, светлината може да пътува през пространството, без да бъде разпръсната от електрони. Всъщност можем да открием светлината, която е просмукала Вселената тогава. Въпреки това, поради времето и разстоянието, той е разтегнат с фактор 1000, изпълвайки Вселената с радиация, която откриваме като микровълни (наричана космическият микровълнов фон). Космическият апарат на Уилкинсън Микровълнова анизотропия (WMAP) проучва това лъчение и неговите данни позволяват на астрономите да изчислят възрастта на Вселената на около 13,66 милиарда години. В допълнение, тези данни предполагат съществуването на такива неща като тъмна материя и още по-загадъчната тъмна енергия.
Астрономите смятат, че през първите няколкостотин милиона години след Големия взрив Вселената продължава да се охлажда и че първото поколение звезди и галактики са се образували в най-плътните области на материята и тъмната материя. Този период е известен като "Тъмните векове" на Вселената. Все още няма директни наблюдения на тези събития, така че астрономите използват компютърни симулации, за да обвържат теоретични прогнози и съществуващи наблюдателни доказателства, за да разберат формирането на първите звезди и галактики.
След като се родят ярки звезди, тяхното ултравиолетово лъчение може да йонизира близките водородни атоми, като ги разделя обратно на отделни електрони и протони. В един момент имаше достатъчно ярки звезди, които да йонизират почти целия неутрален водород във Вселената. Този процес се нарича реионизация на Вселената. Епохата на реионизация сигнализира за края на мрачните векове на Вселената. Днес по-голямата част от водорода в пространството между галактиките е йонизирана.
Определяне на епохата на реионизация
Астрономите са изчислили, че реионизацията се е случила някъде между 290 до 910 милиона години след раждането на Вселената. Определянето на началото и края на епохата на реионизация е един от важните стъпки към разбирането на развитието на Вселената и е област на интензивно изследване в космологията и астрофизиката.
Изглежда, че когато погледнем по-далеч назад във времето, галактиките стават все по-редки и по-редки. Броят на галактиките с червено изместване 7,0 (което съответства на време около 780 милиона години след Големия взрив) изглежда по-малък от този, който астрономите виждат при червено изместване от 6,6 (което съответства на време около 840 милиона години след Големия взрив) , Тъй като броят на известните галактики при червено изместване от 7.0 все още е малък (само един!), Е трудно да се направят стабилни статистически сравнения. Възможно е обаче намаляването на броя на галактиките при по-голямо червено изместване да се дължи на наличието на неутрален водород, абсорбиращ емисиите на Лиман-алфа от галактиките при по-високо червено изместване. Ако по-нататъшни изследвания могат да потвърдят, че числовата плътност на подобни галактики намалява между червено изместване от 6,6 и 7,0, това може да означава, че IOK-1 е съществувал през епохата на реионизацията на Вселената.
Тези резултати ще бъдат публикувани в изданието Nature на 14 септември 2006 г.
Оригинален източник: Subaru News Release
