Кредит за изображение: ESO
Екип от астрономи със седалище на Хаваите откриха далечна галактика на разстояние 12,8 милиарда светлинни години, което ни показва как е изглеждала Вселената, когато е била само на 900 милиона години. Те откриха галактиката с помощта на специална камера, инсталирана на телескопа Канада-Франция-Хаваи, която търси далечни обекти с много специфична честота на светлината. Разкривайки тази галактика, разположена в съзвездието Цетус, близо до звездата Мира, екипът е разработил нова методология за откриване на далечни обекти, която трябва да помогне на бъдещите наблюдатели да погледнат още повече в миналото.
С подобрени телескопи и инструменти станаха възможни наблюдения на изключително отдалечени и слаби галактики, които доскоро бяха мечтите на астрономите.
Един такъв обект е открит от екип от астрономи [2] с широкополева камера, инсталирана в телескопа Канада-Франция-Хаваи в Мауна Кеа (Хавай, САЩ) по време на търсене на изключително далечни галактики. Обозначен като „z6VDF J022803-041618“, той е открит поради необичайния си цвят, вижда се само на изображения, получени чрез специален оптичен филтър, изолиращ светлината в тясна близо до инфрачервена лента.
Проследяващ спектър на този обект с многомодовия инструмент FORS2 в ESO Very Large Telescope (VLT) потвърди, че това е много далечна галактика (червеното изместване е 6.17 [3]). Вижда се така, както е било, когато Вселената е била само на около 900 милиона години.
z6VDF J022803-041618 е една от най-далечните галактики, за която досега са получени спектри. Интересното е, че тя е открита поради светлината, излъчвана от нейните масивни звезди, а не, както първоначално се очакваше, от емисия от водороден газ.
Кратка история на ранната Вселена
Повечето учени са съгласни, че Вселената е произлязла от горещо и изключително плътно първоначално състояние в Голям взрив. Последните наблюдения показват, че това решаващо събитие се е състояло преди около 13 700 милиона години.
През първите няколко минути бяха произведени огромни количества водородни и хелиеви ядра с протони и неутрони. Имаше също много свободни електрони и през следващата епоха многобройните фотони бяха разпръснати от тях и от атомните ядра. На този етап Вселената беше напълно непрозрачна.
След около 100 000 години Вселената се е охладила до няколко хиляди градуса, а ядрата и електроните вече са комбинирани, за да образуват атоми. След това фотоните вече не се разпръснаха от тях и Вселената изведнъж стана прозрачна. Космолозите наричат този момент като "епоха на рекомбинацията". Микровълновото фоново лъчение, което наблюдаваме сега от всички посоки, изобразява състоянието на голяма еднородност във Вселената в онази далечна епоха.
В следващата фаза първичните атоми - повече от 99% от които са от водород и хелий - се движат заедно и започват да образуват огромни облаци, от които по-късно се появяват звезди и галактики. Първото поколение звезди и малко по-късно първите галактики и квазари [4] произвеждат интензивно ултравиолетово лъчение. Това излъчване обаче не пътува много далеч, въпреки факта, че Вселената е станала прозрачна преди много време. Това е така, защото ултравиолетовите (къси вълни) фотони биха се абсорбирали незабавно от водородните атоми, „избивайки“ електроните от тези атоми, докато фотоните с по-дълга вълна биха могли да пътуват много по-далеч. По този начин интергалактичният газ отново се йонизира в постоянно растящи сфери около йонизиращите източници.
В един момент тези сфери станаха толкова големи, че се припокриха напълно; това се нарича „епоха на рейонизация“. Дотогава ултравиолетовото лъчение се абсорбира от атомите, но сега Вселената също става прозрачна за това излъчване. Преди ултравиолетовата светлина от първите звезди и галактики не можеше да се види на големи разстояния, но сега Вселената изведнъж изглеждаше пълна с ярки обекти. Ето защо интервалът от време между епохите на "рекомбинация" и "рейонизация" се нарича "тъмни векове".
Кога беше краят на „Тъмните векове“?
Точната епоха на рейонизацията е обект на активен дебат сред астрономите, но последните резултати от наблюденията на земята и космоса показват, че "тъмните векове" са продължили няколкостотин милиона години. В момента се провеждат различни изследователски програми, които се опитват да определят по-добре кога са се случили тези ранни събития. За това е необходимо да се намерят и изучат подробно най-ранните и следователно най-далечни обекти във Вселената - и това е много взискателно наблюдение.
Светлината се затъмнява от квадрата на разстоянието и колкото по-нататък гледаме в пространството, за да наблюдаваме даден обект - и следователно колкото по-далеч назад във времето го виждаме - толкова по-слабо се появява. В същото време нейната тъмна светлина се измества към червената област на спектъра поради разширяването на Вселената - колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-голямо е наблюдаваното червено изместване [3].
Линията на емисиите от Лиман-алфа
При наземните телескопи най-малките граници на откриване се постигат чрез наблюдения във видимата част на спектъра. Следователно откриването на много отдалечени обекти изисква наблюдение на ултравиолетови спектрални сигнатури, които са преместени във видимия участък. Обикновено астрономите използват за това червената изместена лиманно-алфа спектрална емисионна линия с дължина на вълната на почивка 121,6 nm; тя съответства на фотони, излъчвани от водородни атоми, когато те се променят от възбудено състояние към тяхното основно състояние.
Един очевиден начин за търсене на най-отдалечените галактики е следователно търсене на Лиман-алфа емисия при най-червените (най-дългите) възможни дължини на вълните. Колкото по-дълга е дължината на вълната на наблюдаваната Лиман-алфа линия, толкова по-голяма е червената смяна и разстоянието и колкото по-ранна е епохата, в която виждаме галактиката и толкова по-близо стигаме до момента, който бележи края на „Тъмните векове ".
CCD-детекторите, използвани в астрономическите инструменти (както и в търговските цифрови камери) са чувствителни към светлина с дължина на вълната до около 1000 nm (1? M), т.е. в много близката инфрачервена спектрална област, извън най-червената светлина, която може да се възприема от човешкото око на около 700-750 nm.
Светлото близо инфрачервено нощно небе
Има обаче друг проблем при този вид работа. Търсенето на слабо излъчване на Лиман-алфа от далечни галактики се усложнява от факта, че земната атмосфера - през която трябва да гледат всички наземни телескопи - също излъчва светлина. Това е особено в червената и близката инфрачервена част на спектъра, където стотици дискретни емисионни линии произхождат от хидроксилната молекула (ОН радикал), която присъства в горната земна атмосфера на надморска височина от около 80 km (виж PR Photo 13а / 03).
Тази силна емисия, която астрономите наричат „фон на небето“, е отговорна за границата на слабостта, при която небесни обекти могат да бъдат открити с наземни телескопи на близки до инфрачервени дължини на вълната. Въпреки това, за щастие има спектрални интервали от „нисък ОН-фон“, при които тези емисионни линии са много по-бедни, като по този начин позволяват по-слабо ограничение за откриване от наземни наблюдения. Два такива прозорци с тъмно небе са очевидни в PR Photo 13a / 03 в близост до дължини на вълната 820 и 920 nm.
Като се имат предвид тези аспекти, обещаващ начин за ефективно търсене на най-отдалечените галактики е следенето на дължини на вълната близо 920 nm с помощта на теснолентов оптичен филтър. Адаптирането на спектралната ширина на този филтър до около 10 nm позволява да се открие възможно най-много светлина от небесните обекти, когато се излъчва в спектрална линия, съответстваща на филтъра, като същевременно се свежда до минимум неблагоприятното влияние на излъчването на небето.
С други думи, с максимум светлина, събрана от отдалечените обекти и минимум смущаваща светлина от земната атмосфера, шансовете за откриване на тези далечни обекти са оптимални. Астрономите говорят за „максимално увеличаване на контраста“ на обекти, показващи емисионни линии на тази дължина на вълната.
Програмата за търсене на CFHT
Въз основа на горните съображения международен екип от астрономи [2] инсталира теснолентов оптичен филтър, центриран на близката инфрачервена дължина на вълната 920 nm на инструмента CFH12K на телескопа Канада-Франция-Хаваи на Мауна Кеа (Хавай, САЩ) за търсене на изключително далечни галактики. CFH12K е широко-полева камера, използвана в основния фокус на CFHT, осигуряваща зрително поле от около. 30 x 40 arcmin2, малко по-голяма от пълната луна [5].
Сравнявайки изображения на едно и също небесно поле, направени през различни филтри, астрономите успяха да идентифицират обекти, които изглеждат сравнително „ярки” в изображението NB920 и „припаднали” (или дори не се виждат) в съответните изображения, получени чрез другите филтри , Ярък пример е показан в PR Photo 13b / 03 - обектът в центъра е добре видим на 920nm изображението, но изобщо не е в другите изображения.
Най-вероятното обяснение за обект с такъв необичаен цвят е, че това е много далечна галактика, за която наблюдаваната дължина на вълната на силната емисионна линия на Лиман-алфа е близка до 920 nm, поради червеното изместване. Всяка светлина, излъчвана от галактиката при дължина на вълната, по-къса от Lyman-alfa, се поглъща силно от интерстеларния и междугалактичния водороден газ; това е причината обектът да не се вижда във всички останали филтри.
VLT спектърът
За да се научи истинската същност на този обект, е необходимо да се извърши спектроскопско проследяване, като се наблюдава неговият спектър. Това беше постигнато с многомодовия инструмент FORS 2 в 8,2-метровия телескоп VLT YEPUN в Паранална обсерватория ESO. Това съоръжение осигурява перфектна комбинация от умерена спектрална разделителна способност и висока чувствителност в червено за този вид много взискателни наблюдения. Полученият (слаб) спектър е показан в PR Photo 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 показва проследяване на крайния („почистен“) спектър на обекта след извличане от изображението, показано в PR Photo 13c / 03. Една широка линия на емисиите е ясно засечена (вляво от центъра; уголемена в вложката). Тя е асиметрична, като е депресирана от синята (лявата) страна. Това, съчетано с факта, че не се открива континуална светлина отляво на линията, е ясен спектрален подпис на Лиман-алфа линията: фотоните „по-сини“ от Лиман-алфа се поглъщат силно от газа, присъстващ в самата галактика и в междугалактическата среда по протежение на линията на видимост между Земята и обекта.
Следователно спектроскопичните наблюдения позволиха на астрономите да идентифицират недвусмислено тази линия като Лиман-алфа и следователно да потвърдят голямото разстояние (голямо червено изместване) на този конкретен обект. Измереното червено изместване е 6,17, което прави този обект една от най-далечните галактики, откривани някога. Той получи обозначението „z6VDF J022803-041618“ - първата част от това малко грозно име се отнася до проучването, а втората показва положението на тази галактика в небето.
Звездна светлина в ранната Вселена
Тези наблюдения обаче не дойдоха без изненада! Астрономите се надяваха (и очакваха) да открият лиманната алфа линия от обекта в центъра на спектралния прозорец на 920 nm. Въпреки това, докато беше открита линията на Лиман-алфа, тя беше позиционирана на малко по-малка дължина на вълната.
По този начин, не емисията на Лиман-алфа е причинила тази галактика да бъде „ярка” в теснолентовия (NB920) образ, а „непрекъснатата” емисия при дължини на вълните, по-дълги от тази на Лиман-алфа. Това лъчение е много слабо видимо като хоризонтална, дифузна линия в PR Photo 13c / 03.
Едно от последствията е, че измереното червено изместване 6,17 е по-ниско от първоначално предвиденото червено изместване от около 6,5. Друго е, че z6VDF J022803-041618 е открит от светлина от масивните си звезди („континуумът“), а не от емисии от водороден газ (линията Лиман-алфа).
Този интересен извод е от особен интерес, тъй като показва, че по принцип е възможно да се открият галактики на това огромно разстояние, без да се налага да разчитате на емисионната линия на Лиман-алфа, която не винаги може да присъства в спектрите на далечните галактики. Това ще предостави на астрономите по-пълна картина на населението на галактиката в ранната Вселена.
Нещо повече, наблюдението на все повече и повече от тези далечни галактики ще помогне да разберем по-добре йонизационното състояние на Вселената на тази възраст: ултравиолетовата светлина, излъчвана от тези галактики, не трябва да достига до нас в „неутрална“ Вселена, т.е. преди да настъпи повторна йонизация. , Ловът за още такива галактики вече е включен, за да изясни как се е случил преходът от Тъмните векове!
Оригинален източник: ESO News Release
