Потужний телескоп Subaru на Гаваях знайшов найвіддаленішу галактику, яку коли-небудь бачили, розташовану на відстані 12,88 мільярда світлових років - це лише 780 мільйонів років після Великого вибуху. Спостерігати за цими далекими предметами вкрай складно не лише через великі відстані, а через те, що значна частина Всесвіту була затемнена за нейтральним воднем. Зірки лише тоді почали очищати цей нейтральний водень, роблячи Всесвіт прозорим.
Астрономи, що використовують телескоп Subaru на Гаваях, заглянули на 60 мільйонів років назад, ніж будь-які інші астрономи, щоб знайти найвіддаленішу відому галактику у Всесвіті. Роблячи це, вони підтримують рекорд Subaru для пошуку найвіддаленіших та найраніших з відомих галактик. Їх останнє відкриття - це галактика під назвою I0K-1, яка лежить так далеко, що астрономи бачать її так, як вона з'явилася 12,88 мільярда років тому.
Це відкриття, засноване на спостереженнях Масанорі Іє з Національної астрономічної обсерваторії Японії (NAOJ), Казуакі Ота з Університету Токіо, Нобунарі Кашікава з NAOJ та інших, свідчить про те, що галактики існували лише 780 мільйонів років після існування Всесвіту приблизно 13,66 мільярда років тому як гарячий суп з елементарних частинок.
Для виявлення світла цієї галактики астрономи використовували камеру Suprime-Cam телескопа Subaru, оснащену спеціальним фільтром, щоб шукати віддалені галактики-кандидати. Вони знайшли 41 533 об’єкти, і з них було визначено дві галактики-кандидати для подальшого вивчення за допомогою Камери та Спектрографа слабких об єктів (FOCAS) на Subaru. Вони виявили, що IOK-1, яскравіший з них, має червоний зміщення 6,964, що підтверджує його 12,88 мільярдів світлових років.
Це відкриття кидає виклик астрономам точно визначити, що сталося між 780 та 840 мільйонами років після Великого вибуху. IOK-1 - одна з лише двох галактик у новому дослідженні, яка могла належати до цієї далекої епохи. Враховуючи кількість галактик, виявлених за 840 мільйонів років після Великого вибуху, дослідницька група очікувала знайти на цій відстані аж шість галактик. Порівняльна рідкість об'єктів, таких як IOK-1, означає, що Всесвіт повинна змінитися протягом 60 мільйонів років, які розділяють дві епохи.
Найбільш хвилююча інтерпретація того, що сталося, - це те, що ми бачимо подію, відому астрономам як реіонізацію Всесвіту. У цьому випадку через 780 мільйонів років після Великого вибуху у Всесвіті було ще достатньо нейтрального водню, щоб блокувати наш погляд на молоді галактики, поглинаючи світло, вироблене їх гарячими молодими зірками. Шістдесят мільйонів років пізніше було достатньо гарячих молодих зірок, щоб іонізувати залишився нейтральний водень, зробивши Всесвіт прозорим і дозволивши побачити їх зірки.
Інша інтерпретація результатів говорить, що 780 мільйонів років після Великого вибуху було менше великих і яскравих молодих галактик, ніж 60 мільйонів років потому. У цьому випадку більша частина реіонізації відбулася б раніше, ніж 12,88 мільярда років тому.
Незалежно від того, яка інтерпретація остаточно переважає, відкриття сигналізує про те, що астрономи зараз розкопують світло з "Темних віків" Всесвіту. Це епоха, коли виникли перші покоління зірок і галактик, і епоха, яку астрономи досі не могли спостерігати.
ОСНОВНА ІНФОРМАЦІЯ:
Археологія раннього Всесвіту за допомогою спеціальних фільтрів
Новонароджені галактики містять зірки з широким діапазоном мас. Важкі зірки мають більш високу температуру та випромінюють ультрафіолетове випромінювання, яке нагріває та іонізує довколишній газ. Коли газ охолоджується, він випромінює зайву енергію, щоб він міг повернутися до нейтрального стану. У цьому процесі водень завжди буде випромінювати світло на рівні 121,6 нанометрів, що називається лінійкою-альфа-лінією. Будь-яка галактика з багатьма гарячими зірками повинна яскраво світити на цій довжині хвилі. Якщо зірки утворюють всі відразу, найяскравіші зірки можуть виробляти випромінювання Ліман-альфа протягом 10-100 мільйонів років.
Для вивчення галактик, таких як IOK-1, які існують у ранні часи у Всесвіті, астрономи повинні розшукувати ліман-альфа-світло, яке розтягується і пересувається на більш довгі довжини хвилі в міру розширення Всесвіту. Однак при довжині хвиль, що перевищує 700 нанометрів, астрономам доводиться мати справу з викидами на передньому плані молекул ОН у власну атмосферу Землі, які заважають слабким викидам віддалених об'єктів.
Щоб виявити слабке світло з далеких галактик, дослідницька група спостерігала на довжинах хвиль, де атмосфера Землі не світиться сильно, через вікна 711, 816 та 921 нанометрів. Ці вікна відповідають випроміненому випромінюванням Лиман-альфа з галактик з червоними змінами відповідно 4,8, 5,7 та 6,6. Ці цифри свідчать про те, наскільки менший Всесвіт порівняно з нині, і відповідають 1,26 мільярда років, 1,01 мільярда років та 840 мільйонів років після Великого вибуху. Це як робити археологію раннього Всесвіту за допомогою спеціальних фільтрів, що дозволяють вченим бачити різні шари розкопок.
Для отримання своїх вражаючих нових результатів команді довелося розробити фільтр, чутливий до світла, довжиною хвилі лише близько 973 нанометрів, що відповідає випромінюванню альфа Lyman при червоному зміні 7,0. Ця довжина хвилі знаходиться на межі сучасних ПЗЗ, які втрачають чутливість на довжинах хвиль більше 1000 нанометрів. Цей подібний фільтр під назвою NB973 використовує технологію багатошарового нанесення покриття, а на розробку пішло більше двох років. Фільтр не тільки повинен був пропускати світло з довжиною хвилі лише близько 973 нанометрів, але він також повинен рівномірно покривати все поле зору основного фокусу телескопа. Команда працювала з компанією Asahi Spectra Co.Ltd, щоб розробити прототипний фільтр для використання з неяскравою об'єктною камерою Subaru, а потім застосували цей досвід для створення фільтра для Suprime-Cam.
Спостереження
Спостереження з фільтром NB973 відбулися навесні 2005 р. Після більш ніж 15 годин експозиції отримані дані досягли граничної величини 24,9. На цьому зображенні було 41,533 об'єкти, але порівняння із зображеннями, зробленими на інших довжинах хвиль, показало, що лише два об'єкти яскраві лише на зображенні NB973. Команда зробила висновок, що лише ці два об'єкти можуть бути галактиками при червоному зміні 7,0. Наступним кроком було підтвердження ідентичності двох об'єктів - IOK-1 та IOK-2, і команда спостерігала за ними за допомогою камері та спектрографа "FOCAS" із слабким виглядом об'єктів на телескопі Subaru. Після 8,5 годин експозиції, команда змогла отримати спектр лінії викидів від яскравішого з двох об'єктів, IOK-1. Його спектр показав асиметричний профіль, характерний для випромінювання Лимана-альфа з далекої галактики. Лінія випромінювання була зосереджена на довжині хвилі 968,2 нанометрів (червоний зміщення 6,964), що відповідає відстані 12,88 мільярда світлових років та часу 780 мільйонів років після Великого вибуху.
Ідентичність Галактики другого кандидата
Три години часу спостереження не дали жодних переконливих результатів для визначення природи ІОК-2. З того часу дослідницька група отримала більше даних, які зараз аналізуються. Можливо, що IOK-2 може бути іншою віддаленою галактикою, або це може бути об'єкт зі змінною яскравістю. Наприклад, галактика з надновою або чорною дірою активно ковтає матеріал, який щойно став яскравим під час спостережень за фільтром NB973. (Спостереження в інших фільтрах проводилися на один-два роки раніше.)
Глибоке поле Subaru
Телескоп Subaru особливо добре підходить для пошуку найбільш віддалених галактик. З усіх телескопів класу 8- до 10 метрів у світі, це єдиний з можливістю монтажу камери на першочерговому фокусі. Основний фокус у верхній частині трубки телескопа має перевагу перед широким полем зору. Як результат, Субару в даний час переважає у списку найвіддаленіших відомих галактик. Багато з них знаходяться в районі неба у напрямку сузір'я Кома Беренікес під назвою Глибоке поле Субару, яке дослідницька група обрала для інтенсивного вивчення на багатьох довжинах хвиль.
Рання історія Всесвіту та утворення перших галактик
Щоб поставити це досягнення Subaru в контекст, важливо переглянути те, що ми знаємо про історію раннього Всесвіту. Всесвіт розпочався з Великого вибуху, який стався близько 13,66 мільярдів років тому у вогненному хаосі екстремальної температури та тиску. Протягом перших трьох хвилин дитячий Всесвіт швидко розширювався і охолоджувався, утворюючи ядра легких елементів, таких як водень і гелій, але дуже мало ядер важчих елементів. У 380 000 років речі охололи до температури близько 3000 градусів. У цей момент електрони та протони могли поєднуватися, утворюючи нейтральний водень.
З електронами, які тепер пов'язані з атомними ядрами, світло може проходити через космос, не розсіюючись електронами. Ми можемо фактично виявити світло, яке тоді пронизувало Всесвіт. Однак через час та відстань вона була розтягнута на коефіцієнт 1000, наповнюючи Всесвіт радіацією, яку ми виявляємо як мікрохвилі (називається фон космічної мікрохвильовки). Космічний апарат Анізотропії Уілкінсона (WMAP) досліджував це випромінювання, і його дані дозволили астрономам розрахувати вік Всесвіту приблизно в 13,66 мільярдів років. Крім того, ці дані передбачають існування таких речей, як темна матерія та ще більш загадкова темна енергія.
Астрономи вважають, що протягом перших кількох сотень мільйонів років після Великого вибуху всесвіт продовжувала охолоджуватися і що перше покоління зірок і галактик сформувалося в найгустіших районах речовини і темної матерії. Цей період відомий як "Темні століття" Всесвіту. Прямих спостережень за цими подіями поки немає, тому астрономи використовують комп'ютерне моделювання, щоб поєднати теоретичні прогнози та наявні спостережні докази, щоб зрозуміти утворення перших зірок і галактик.
Як тільки народжуються яскраві зірки, їх ультрафіолетове випромінювання може іонізувати довколишні атоми водню, розбиваючи їх назад на окремі електрони та протони. У якийсь момент з’явилося достатньо яскравих зірок, щоб іонізувати майже весь нейтральний водень у Всесвіті. Цей процес називається реіонізацією Всесвіту. Епоха реіонізації сигналізує про закінчення темних віків Всесвіту. Сьогодні більша частина водню в просторі між галактиками іонізована.
Визначення епохи реіонізації
Астрономи підрахували, що реабілітація сталася десь між 290 до 910 мільйонів років після народження Всесвіту. Визначення початку та кінця епохи реіонізації є одним із важливих кроків до розуміння того, як розвивається Всесвіт, і є областю інтенсивного вивчення космології та астрофізики.
Здається, що, коли ми дивимося назад у часі, галактики стають все рідше і рідше. Кількість галактик з червоним зміщенням 7,0 (що відповідає часу приблизно 780 мільйонів років після Великого вибуху) здається меншою, ніж те, що бачать астрономи на червоному зміні 6,6 (що відповідає часу приблизно 840 мільйонів років після Великого вибуху) . Оскільки кількість відомих галактик при червоному зміщенні 7,0 все ще невелика (лише одна!), Важко провести надійні статистичні порівняння. Однак можливо, що зменшення кількості галактик при вищому червоному зміщенні відбувається через наявність нейтрального водню, що поглинає викид Ліман-альфа з галактик на більш високих червоних змінах. Якщо подальші дослідження можуть підтвердити, що щільність чисельності подібних галактик зменшується між червоним зміщенням 6,6 та 7,0, це може означати, що ІОК-1 існував у епоху реіонізації Всесвіту.
Ці результати будуть опубліковані 14 вересня 2006 р. У виданні Nature.
Оригінальне джерело: Subaru News Release
