A hawaii nagy teljesítményű Subaru távcső a legtávolabbi galaxist találta meg, amely 12,88 milliárd fényévnyire van - ez csak 780 millió évvel a Nagyrobbanás után. Távoli tárgyak megfigyelése rendkívül nehéz, nemcsak a nagy távolságok miatt, hanem azért is, mert a Világegyetem nagy részét elárasztják a semleges hidrogén mögött. A csillagok csak akkor kezdték eltisztítani ezt a semleges hidrogént, átlátszóvá téve az Univerzumot.
A csillagászok, akik a Subaru-távcsövet használják Hawaii-ban, 60 millió évvel később néztek vissza, mint bármelyik másik csillagász, hogy megtalálják az univerzum legtávolabbi ismert galaxisát. Ezzel fenntartják a Subaru rekordját a legtávolabbi és legkorábbi ismert galaxisok megtalálása érdekében. Legutóbbi felfedezésük egy I0K-1 nevű galaxist jelentett, amely olyan messze fekszik, hogy a csillagászok azt látják, ahogyan 12,88 milliárd évvel ezelőtt megjelent.
Ez a felfedezés, amelyet a Japán Nemzeti Csillagászati Megfigyelőközpont (NAOJ), a Tokiói Egyetem Kazuaki Ota, a NAOJ Nobunari Kashikawa és mások megfigyelésein alapszik, azt mutatja, hogy a galaxisok csak 780 millió évvel azután léteztek, hogy az univerzum létrejött. körülbelül 13,66 milliárd évvel ezelőtt elemi részecskék forró levesként.
A galaxis fényének észlelésére a csillagászok a Subaru távcső Suprime-Cam kameráját speciális szűrővel felszerelve használták a távoli galaxisok jelöltjeinek felkutatására. 41 533 tárgyat találtak, és ezek közül két jelölt galaxist azonosítottak a Subaruban található Faint Object Camera és Spectrograph (FOCAS) segítségével további vizsgálatokra. Megállapították, hogy az IOK-1, a kettő közül a világosabb, vöröseltolódása 6.964, ami megerősíti 12,88 milliárd fényév távolságát.
A felfedezés arra szólítja fel a csillagászokat, hogy pontosan meghatározzák, mi történt a Nagyrobbanás után 780-840 millió évvel. Az IOK-1 az új tanulmányban szereplő két galaxis egyike, amely ebbe a távoli korszakba tartozhat. Figyelembe véve a galaxisok számát, amelyeket a nagy robbanás után 840 millió évvel fedeztek fel, a kutatócsoport arra számított, hogy hat galaxist talál majd ezen a távolságon. Az IOK-1-hez hasonló tárgyak összehasonlító ritkasága azt jelenti, hogy az univerzumnak meg kellett változnia a két korszakot elválasztó 60 millió év alatt.
A legizgalmasabb értelmezése annak, ami történt, az, hogy egy olyan eseményt látunk, amelyet a csillagászok ismertek, mint az univerzum újjáéledését. Ebben az esetben, 780 millió évvel a nagy robbanás után az univerzumban még mindig volt elég semleges hidrogén ahhoz, hogy megakadályozzuk a fiatal galaxisokról alkotott képet, hogy elnyeljük a forró fiatal csillagok által kibocsátott fényt. Hatvanmillió évvel később elegendő forró fiatal csillag volt ahhoz, hogy ionizálja a maradék semleges hidrogént, átlátszóvá tegye az univerzumot, és lehetővé tegye számunkra a csillagok megtekintését.
Az eredmények egy másik értelmezése szerint a nagy robbanás után 780 millió évvel kevesebb nagy és fényes fiatal galaxis volt, mint 60 millió évvel később. Ebben az esetben a reionizáció nagy részére korábban került volna sor, mint 12,88 milliárd évvel ezelőtt.
Nem számít, mely értelmezés végül érvényesül, a felfedezés azt jelzi, hogy a csillagászok most fényt vetnek ki az univerzum „sötét koráiból”. Ez az a korszak, amikor a csillagok és galaxisok első generációi megjelentek, és egy olyan korszak, amelyet a csillagászok eddig nem tudtak megfigyelni.
HÁTTÉR-INFORMÁCIÓ:
A korai világegyetem régészete speciális szűrők segítségével
Az újszülött galaxisok széles tömegű csillagokat tartalmaznak. A nehezebb csillagok hőmérséklete magasabb, és ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, amely melegíti és ionizálja a közeli gázt. Ahogy a gáz lehűl, elbocsátja a felesleges energiát, hogy visszatérhessen semleges állapotba. Ebben a folyamatban a hidrogén mindig 121,6 nanométer fényt bocsát ki, amelyet Lyman-alfa vonalnak hívnak. Bármely galaxis, amelyben sok forró csillag van, ragyogóan ragyog ezen a hullámhosszon. Ha a csillagok egyszerre alakulnak ki, akkor a legfényesebb csillagok a Lyman-alfa-emissziót előidézhetik 10–100 millió évig.
Annak érdekében, hogy tanulmányozzák az IOK-1-hez hasonló galaxiseket, amelyek az univerzum korai szakaszában léteznek, a csillagászoknak ki kell keresniük a Lyman-alfa-fényt, amelyet az univerzum kibővülésekor hosszabb hullámhosszra meghosszabbítottak és átváltottak. A 700 nanométernél hosszabb hullámhosszon azonban a csillagászoknak a Föld saját légkörében az OH molekulák előtérbe történő kibocsátásával kell foglalkozniuk, amelyek zavarják a távoli tárgyak halvány kibocsátását.
A távoli galaxisok halvány fényének észlelésére a kutatócsoport olyan hullámhosszon figyelt meg, ahol a Föld légköre nem világít sokkal, az ablakon keresztül, a 711, 816 és 921 nanométeren. Ezek az ablakok megfelelnek a galaxisokból a vöröseltolódott Lyman-alfa-emissziónak, vöröseltolódásuk 4,8, 5,7 és 6,6. Ezek a számok azt mutatják, hogy az univerzum mennyivel kisebb volt a mai naphoz képest, és 1,26 milliárd évvel, 1,01 milliárd évvel és 840 millió évvel felel meg a Nagyrobbanás után. Ez olyan, mintha a korai világegyetem régészetét elvégeznénk bizonyos szűrőkkel, amelyek lehetővé teszik a tudósok számára, hogy a feltárás különböző rétegeibe bejuthassanak.
Látványos új eredményeik elérése érdekében a csapatnak fényre érzékeny szűrőt kellett kifejlesztenie, amelynek hullámhossza mindössze 973 nanométer volt, ami megfelel a Lyman alfa-emissziójának 7,0 vöröseltolódással. Ez a hullámhossz a modern CCD-k határán áll, amelyek 1000 nanométernél hosszabb hullámhosszon veszítik az érzékenységet. Ez a fajta szűrő, az úgynevezett NB973, többrétegű bevonási technológiát használ, és több mint két évbe telt a fejlesztése. A szűrőnek nemcsak csak 973 nanométer hullámhosszúságú fényt kellett átadnia, hanem egyenletesen le kellett fednie a távcső fő fókuszának teljes látóterét. A csapat együtt dolgozott egy társasággal, az Asahi Spectra Co.Ltd-vel, hogy kidolgozzon egy prototípusszűrőt a Subaru Faint Object Camera-jához, majd ezt a tapasztalatot felhasználta a Suprime-Cam szűrőjének előállítására.
A megfigyelések
Az NB973 szűrővel végzett megfigyelésekre 2005. tavaszán került sor. Több mint 15 órás expozíciós idő után a kapott adatok korlátozott nagyságrendbe, 24,9-ig értek el. Ebben a képen 41 533 objektum volt, de a más hullámhosszon készített képekkel történő összehasonlítás azt mutatta, hogy az objektumok közül csak kettő csak az NB973 képen volt világos. A csoport arra a következtetésre jutott, hogy csak ez a két tárgy lehet galaxis 7,0-es vöröseltolódással. A következő lépés a két objektum, az IOK-1 és az IOK-2 azonosítása volt, és a csapat megfigyelte őket a Faar Object Camera és Spectrograph (FOCAS) segítségével a Subaru távcsőjén. 8,5 órás expozíciós idő után a csapat megkapta a kibocsátási vonal spektrumát a két tárgy világosabb részéről, az IOK-1-ből. Spektruma aszimmetrikus profilt mutatott, amely jellemző a távoli galaxisból származó Lyman-alfa-emisszióra. Az emissziós vonal 968,2 nanométer hullámhosszon (vöröseltolódás 6.964) volt középpontjában, amely 12,88 milliárd fényév távolságnak felel meg, és a Nagyrobbanást követő 780 millió év távolságnak felel meg.
A második jelölt galaxis identitása
A három órás megfigyelési idő nem adott meggyőző eredményeket az IOK-2 természetének meghatározására. A kutatócsoport azóta további adatokat gyűjtött, amelyeket most elemeznek. Lehetséges, hogy az IOK-2 egy másik távoli galaxis, vagy változó fényerősségű objektum lehet. Például egy szupernóva vagy egy fekete lyukkal rendelkező galaxis, amely aktívan nyel egy anyagot, amely éppen fényesnek tűnt az NB973 szűrővel végzett megfigyelések során. (A többi szűrőben a megfigyeléseket egy-két évvel korábban végezték.)
A Subaru mély mező
A Subaru távcső különösen alkalmas a legtávolabbi galaxisok keresésére. A világon a 8-10 méteres teleszkópok közül ez az egyetlen, amely képes a fényképezőgépet elsődleges fókuszban felszerelni. A teleszkópcső tetején lévő fő hangsúly az széles látómező előnye. Ennek eredményeként a Subaru jelenleg uralja a legtávolabbi ismert galaxisok listáját. Ezek közül sok az égbolt egy olyan részén helyezkedik el, amely a Coma Berenices csillagkép irányába irányul, Subaru Deep Field néven, amelyet a kutatócsoport kiválasztott intenzív tanulmányozásra sok hullámhosszon.
Az univerzum korai története és az első galaxisok kialakulása
Ahhoz, hogy ezt a Subaru-teljesítményt kontextusba helyezzük, fontos áttekinteni, mit tudunk a korai világegyetem történetéről. Az univerzum a Nagyrobbanással kezdődött, amely körülbelül 13,66 milliárd évvel ezelőtt történt egy szélsőséges hőmérséklet és nyomás tüzes káoszában. Az első három percben a csecsemő világegyeteme gyorsan tágult és lehűlt, könnyű elemek, például hidrogén és hélium atommagjait hozva létre, de nagyon kevés nehezebb elem magját. 380 000 év alatt a dolgok körülbelül 3000 fok hőmérsékletre hűttek le. Az elektronok és a protonok ezen a ponton semleges hidrogént képezhetnek.
Az elektronok kötődve az atommagokhoz, a fény átjuthat az űrben anélkül, hogy az elektronok szétszórnák. Valójában felismerhetjük azt a fényt, amely akkoriban az univerzumban áthatolt. Az idő és a távolság miatt azonban 1000-es tényezővel megnyújtottuk, megtöltve az univerzumot sugárzással, amelyet mikrohullámként detektálunk (kozmikus mikrohullámú háttérként nevezzük). A Wilkinson mikrohullámú anizotrópiás szonda (WMAP) űrhajó tanulmányozta ezt a sugárzást, és az adatok lehetővé tették a csillagászok számára, hogy körülbelül 13,66 milliárd évvel kiszámítsák az univerzum életkorát. Ezen túlmenően, ezek az adatok arra utalnak, hogy léteznek olyan dolgok, mint a sötét anyag és a még rejtélyesebb sötét energia.
A csillagászok úgy gondolják, hogy a nagy robbanás utáni első néhány száz millió évben az univerzum továbbra is lehűlt, és az csillagok és galaxisok első generációja az anyag és a sötét anyag sűrűbb részein alakult ki. Ezt az időszakot a világegyetem sötét koráinak nevezik. Ezen eseményekről még nincs közvetlen megfigyelés, ezért a csillagászok számítógépes szimulációkat használnak az elméleti jóslatok és a meglévő megfigyelési bizonyítékok összekapcsolására, hogy megértsék az első csillagok és galaxisok kialakulását.
Amint fényes csillagok születnek, ultraibolya sugárzásuk ionizálhatja a közeli hidrogénatomokat, miközben ezeket külön elektronokra és protonokra osztja. Egy ponton elegendő fényes csillag volt ahhoz, hogy az univerzum szinte az összes semleges hidrogént ionizálja. Ezt a folyamatot hívják az univerzum reionizációjának. A reionizáció korszaka jelzi az univerzum sötét korának végét. Manapság a galaxisok közötti térben a hidrogén nagy része ionizált.
Az újraélesztés korszakának pontos meghatározása
A csillagászok becslése szerint az újjáéledés valamikor 290-910 millió évvel az univerzum születése után történt. A reionizáció korszakának kezdete és vége meghatározása az egyik fontos lépés, hogy megértsük az univerzum fejlődését, és intenzív kutatási terület a kozmológiában és az asztrofizikában.
Úgy tűnik, hogy ahogy az idővel távolabb nézünk, a galaxisok egyre ritkábbak. A 7,0 vöröseltolódású galaxisok száma (ami körülbelül 780 millió évvel a Nagyrobbanás utáni időnek felel meg) kisebbnek tűnik, mint amit a csillagászok 6,6-os vöröseltolódással látnak (ami megfelel a nagyrobbanást követő kb. 840 millió évvel telt időnek). . Mivel az ismert galaxisok száma a 7.0 vöröseltolódásnál még mindig kicsi (csak egy!), Nehéz statisztikai összehasonlításokat végezni. Lehetséges azonban, hogy a galaxisok számának csökkenése a nagyobb vöröseltolódásnál a semleges hidrogén jelenlétének köszönhető, amely nagyobb vöröseltolódás mellett elnyeli a galaxisok Lyman-alfa-kibocsátását. Ha további kutatások megerősíthetik, hogy a hasonló galaxisok sűrűsége csökken a 6,6 és 7,0 vöröseltolódás között, ez azt jelentheti, hogy az IOK-1 létezett az univerzum reionizációjának korszakában.
Ezeket az eredményeket a Nature 2006. szeptember 14-i kiadásában teszik közzé.
Eredeti forrás: Subaru sajtóközlemény
