Kép jóváírása: ESO
Egy csillagászok egy csoportja, amely a Hawaii-ban székhellyel rendelkezik, egy 12,8 milliárd fényév távolságra található egy távoli galaxist fedez fel, amely megmutatja nekünk, hogy nézett ki az Univerzum, amikor csak 900 millió éves volt. A kanadai-francia-hawaii teleszkópra felszerelt speciális kamera segítségével megtalálták a galaxist, amely távoli tárgyakat keres egy nagyon különleges fényfrekvencián. A Cetus csillagképében, közvetlenül a Mira csillag közelében található galaxis felfedezésével a csapat új módszert dolgozott ki távoli tárgyak felfedezésére, melynek segítségével a jövőbeni megfigyelők még tovább tekinthetnek a múltba.
A továbbfejlesztett távcsövekkel és műszerekkel lehetővé vált a rendkívül távoli és halvány galaxisok megfigyelése, amelyek a közelmúltban voltak a csillagászok álmai.
Az egyik ilyen tárgyat csillagászok egy csoportja [2] talált egy széles látószögű kamerával, a Kanada-Franciaország-Hawaii távcsövön, Mauna Kea-nál (Hawaii, USA) egy rendkívül távoli galaxisok keresése során. A „z6VDF J022803-041618” elnevezésű szokatlan szín miatt érzékelték, és csak a keskeny közeli infravörös sávban fényt elkülönítő speciális optikai szűrőn keresztül nyert képeken láthatók.
Ennek a tárgynak a FORS2 multi-mode műszerrel végzett nyomon követési spektruma az ESO Nagyon Nagy Teleszkópban (VLT) megerősítette, hogy egy nagyon távoli galaxis (a vöröseltolódás 6.17 [3]). Úgy látszik, mint akkor, amikor az univerzum csak körülbelül 900 millió éves volt.
A z6VDF J022803-041618 az egyik legtávolabbi galaxis, amelynek spektrumát eddig kaptak. Érdekes módon azt a hatalmas csillagok által kibocsátott fény miatt fedezték fel, és nem, ahogyan az eredetileg várták, a hidrogéngáz kibocsátása miatt.
A korai világegyetem rövid története
A legtöbb tudós egyetért abban, hogy az univerzum egy forró és rendkívül sűrű kezdeti állapotból származik egy Nagyrobbanás során. A legfrissebb megfigyelések azt mutatják, hogy ez a döntő esemény körülbelül 13 700 millió évvel ezelőtt történt.
Az első néhány perc alatt óriási mennyiségű hidrogén- és héliummag képződött protonokkal és neutronokkal. Sok szabad elektron is volt, és a következő korszakban a számos fotont szétszórták ezekből és az atommagokból. Ebben a szakaszban az Univerzum teljesen átlátszatlan volt.
Kb. 100 000 év elteltével az Univerzum néhány ezer fokra lehűlt, és a magok és elektronok atomokká egyesültek. A fotonokat ezután már nem szétszórták ezekből és az Univerzum hirtelen átlátszóvá vált. A kozmológusok ezt a pillanatot „rekombinációs korszaknak” nevezik. A mikrohullámú háttér sugárzás, amelyet most minden irányból megfigyelünk, a nagy egységesség állapotát ábrázolja abban a távoli korszakban.
A következő szakaszban az ősi atomok - amelyeknek több mint 99% -a hidrogénből és héliumból álltak - együtt mozogtak és óriási felhőket képeztek, amelyekből később csillagok és galaxisok váltak ki. A csillagok első generációja, és kissé később az első galaxisok és kvazárok [4] intenzív ultraibolya sugárzást bocsátott ki. A sugárzás azonban nem ment túl messzire, annak ellenére, hogy az Univerzum régen átlátszóvá vált. Ennek oka az, hogy az ultraibolya (rövid hullámhosszú) fotonokat a hidrogénatomok azonnal abszorbeálják, elektronokat „kopogtatva” az atomoktól, míg a hosszabb hullámhosszú fotonok sokkal távolabb utazhatnak. A galaktikus gáz tehát ismét ionizálódott az ionizáló források körül folyamatosan növekvő gömbökön.
Egy bizonyos pillanatban ezek a gömbök olyan nagyok lettek, hogy teljesen átfedik egymást; ezt nevezzük „a reionizáció korszakának”. Addig az ultraibolya sugárzást az atomok abszorbeálták, de az Univerzum ezen a sugárzással szemben is átlátszóvá vált. Korábban az első csillagok és galaxisok ultraibolya fényét nem lehetett nagy távolságra megfigyelni, de most az Univerzum hirtelen tele volt fényes tárgyakkal. Ez az oka annak, hogy a „rekombináció” és az „újraionizáció” korszakai közötti időtartamot „sötét koroknak” nevezzük.
Mikor véget ért a „sötét kor”?
A reionizáció pontos korszakát a csillagászok aktívan vitatják, ám a föld és az űr megfigyeléseinek legfrissebb eredményei azt mutatják, hogy a „sötét kor” néhány száz millió évig tartott. Különböző kutatási programok zajlanak jelenleg, amelyek megpróbálják jobban meghatározni, hogy ezek a korai események mikor történt. Ehhez meg kell találni és részletesen meg kell vizsgálni a legkorábbi és következésképpen a legtávolabbi tárgyakat az univerzumban - és ez nagyon igényes megfigyelési törekvés.
A fényt a távolság négyzete tompítja, és minél tovább nézünk ki az űrben, hogy megfigyeljünk egy tárgyat - és ezért minél később látjuk azt - annál lágyabb lesz. Ugyanakkor a tompított fény a világegyetem tágulása miatt a spektrum vörös régiója felé tolódik el - minél nagyobb a távolság, annál nagyobb a megfigyelt vöröseltolódás [3].
A Lyman-alfa emissziós vonal
A földi távcsövekkel a leggyengébb észlelési határértékeket a spektrum látható részén végzett megfigyelésekkel érik el. Ezért a nagyon távoli tárgyak detektálása megköveteli az ultraibolya spektrális szignálok megfigyelését, amelyeket vörösre váltottak a látható területre. Általában az csillagászok ezt a vöröseltolódott Lyman-alfa spektrális emissziós vonalat használják 121,6 nm-es nyugalmi hullámhosszon; megfelel a hidrogénatomok által kibocsátott fotonoknak, amikor egy gerjesztett állapotból alapállapotba változnak.
Ezért a legtávolabbi galaxisok keresésének egyik nyilvánvaló módja a Lyman-alfa-emisszió keresése a lehető legfrissebb hullámhosszon. Minél hosszabb a megfigyelt Lyman-alfa vonal hullámhossza, annál nagyobb a vöröseltolódás és a távolság, és minél korábbi a korszak, amikor meglátjuk a galaxist, és minél közelebb kerülünk ahhoz a pillanathoz, amely a „Sötét korok” végét jelölte ”.
A csillagászati eszközökben (valamint a kereskedelmi digitális fényképezőgépekben) használt CCD-detektorok érzékenyek a körülbelül 1000 nm (1? M) hullámhosszúságú fényre, azaz a nagyon közeli infravörös spektrumtartományban, a vöröses fényen túl, amely képes az emberi szem érzékelheti körülbelül 700-750 nm hullámhosszon.
A fényes közeli infravörös éjszakai égbolt
Ennek a fajta munkának azonban van egy másik problémája. A távoli galaxisok gyenge Lyman-alfa-emissziójának kutatását bonyolítja az a tény, hogy a szárazföldi légkör - amelyen keresztül minden földi távcsőnek ki kell néznie - fényt bocsát ki. Különösen így van ez a spektrum vörös és közeli infravörös részén, ahol diszkrét emissziós vonalak százai származnak a hidroxil-molekulából (az OH csoportból), amely jelen van a felső földi légkörben, mintegy 80 km magasságban (lásd PR Photo 13a / 03).
Ez az erős sugárzás, amelyet a csillagászok „ég háttere” -nek neveznek, felelős annak a gyengeséghatárnak, amelynél az égi tárgyakat felfedezni lehet földi távcsövekkel közel infravörös hullámhosszon. Szerencsére vannak azonban az „alacsony OH-háttér” spektrális intervallumai, ahol ezek a kibocsátási vonalak sokkal halványabbak, ezáltal lehetővé téve a halványabb észlelési határértéket a talajmegfigyelésekből. Két ilyen „sötét égbolt” látható a PR Photo 13a / 03-ban 820 és 920 nm hullámhosszon.
Ezeket a szempontokat figyelembe véve tehát a legtávolabbi galaxisok hatékony keresésének ígéretes módja a 920 nm közelében lévő hullámhosszon történő megfigyelés keskeny sávú optikai szűrővel. A szűrő spektrális szélességének kb. 10 nm-re történő hozzáigazítása lehetővé teszi a lehető legnagyobb mennyiségű égi tárgyak fényének észlelését, amikor a szűrővel megegyező spektrális vonalon bocsátanak ki, miközben minimalizálják az égbolt kibocsátásának káros hatását.
Más szavakkal, ha a távoli tárgyakból maximálisan összegyűjtött fény és minimális mértékben zavarja a földi légkörből származó fény, akkor a távoli tárgyak észlelésének esélye optimális. A csillagászok arról beszélnek, hogy az objektumok „maximalizálják a kontrasztot” - a hullámhosszon emissziós vonalakat mutatnak.
A CFHT keresési program
A fenti megfontolások alapján egy csillagászok nemzetközi csapata [2] egy keskeny sávú optikai szűrőt telepített a közepes infravörös 920 nm hullámhosszon középpontban a CFH12K műszerre a Kanada-Franciaország-Hawaii távcsőbe, Mauna Kea-ra (Hawaii, USA). rendkívül távoli galaxisok keresésére. A CFH12K széles látószögű kamera, amelyet a CFHT elsődleges fókuszában használnak, és kb. 30 x 40 arcmin2, valamivel nagyobb, mint a telihold [5].
Az azonos égbolt mező különböző szűrőkön átvett képeinek összehasonlításával a csillagászok képesek voltak azonosítani azokat az objektumokat, amelyek viszonylag „fényesnek” tűnnek az NB920 képen, és „halványak” (vagy éppen nem is láthatóak) a többi szűrőn keresztül kapott megfelelő képekben. . Meglepő példát mutat a PR Photo 13b / 03 - a középen lévő objektum jól látható a 920 nm képben, a többi képen pedig egyáltalán nem.
Az ilyen szokatlan színű objektum legvalószínűbb magyarázata az, hogy egy nagyon távoli galaxis, amelynél az erős Lyman-alfa emissziós vonal megfigyelt hullámhossza közel van 920 nm-ig, a vöröseltolódás miatt. A Lyman-alfánál rövidebb hullámhosszon a galaxis által kibocsátott minden fényt erősen elnyeli a beavatkozó csillagközi és a galériák közötti hidrogéngáz; Ez az oka annak, hogy az objektum nem látható az összes többi szűrőben.
A VLT spektruma
Annak érdekében, hogy megismerjük az objektum valódi természetét, spektroszkópos nyomon követést kell végezni, megfigyelve annak spektrumát. Ezt a FORS 2 multi-mode műszerrel hajtottuk végre az ESO Paranal Obszervatóriumának 8,2 m-es VLT YEPUN teleszkópján. Ez a lehetőség a mérsékelt spektrális felbontás és a vörös érzékenység tökéletes kombinációját biztosítja az ilyen nagyon igényes megfigyeléshez. A kapott (halvány) spektrumot a PR Photo 13c / 03 ábrán mutatjuk be.
A PR Photo 13d / 03 a tárgy végső („megtisztított”) spektrumának nyomkövetését mutatja a PR Photo 13c / 03 képen szereplő kép kivonása után. Egy széles emissziós vonal egyértelműen érzékelhető (a középponttól balra; a betétben nagyítva). Aszimmetrikus, kék (bal) oldalán nyomott. Ez, azzal a ténygel együtt, hogy a vonaltól balra nem észlelnek folytonos fényt, a Lyman-alfa vonal tiszta spektrális jele: a Lyman-alfánál kékebb fotonokat nagymértékben elnyeli a galaxisban levő gáz. , és az intergalaktikus közegben a látóvonal mentén a Föld és az objektum között.
A spektroszkópiai megfigyelések ezért lehetővé tették a csillagászoknak, hogy egyértelműen azonosítsák ezt a vonalat Lyman-alfa-ként, és így megerősítsék az adott objektum nagy távolságát (nagy vöröseltolódás). A mért vöröseltolódás 6.17, és ez az objektum az egyik legtávolabbi galaxis, amelyet valaha észleltek. Megkapta a „z6VDF J022803-041618” megjelölést - ennek a kissé nehézkes névnek az első része a felmérésre utal, a második pedig a galaxis helyzetét az égen.
Csillagfény a korai világegyetemben
Ezek a megfigyelések azonban nem voltak meglepőek! A csillagászok azt remélték (és várhatták), hogy felfedezzék a Lyman-alfa vonalat az objektumtól a 920 nm-es spektrumablak közepén. Noha a Lyman-alfa vonalat találták, kissé rövidebb hullámhosszon helyezkedik el.
Tehát nem a Lyman-alfa-emisszió okozta ezt a galaxist a „keskeny sávú” képben (NB920), hanem a „folytonosság” -kibocsátást a Lyman-alfa-nél hosszabb hullámhosszon. Ez a sugárzás nagyon gyengén látható vízszintes, diffúz vonalként a PR Photo 13c / 03-ban.
Ennek egyik következménye az, hogy a mért 6.17-es vöröseltolódás alacsonyabb, mint az eredetileg becsült vöröseltolódás (mintegy 6,5). A másik az, hogy a z6VDF J022803-041618-at fényében detektálták a hatalmas csillagai (a „kontinuum”), és nem a hidrogéngáz (Lyman-alfa vonal) kibocsátásával.
Ez az érdekes következtetés különösen érdekes, mivel azt mutatja, hogy elvileg ezen a hatalmas távolságon lehet galaxiseket kimutatni anélkül, hogy támaszkodnunk kell a Lyman-alfa emissziós vonalra, amely nem mindig jelenik meg a távoli galaxisok spektrumában. Ez teljesebb képet nyújt a csillagászokról a korai világegyetem galaxispopulációjáról.
Ezen túlmenően, a távoli galaxisok egyre több megfigyelése segít abban, hogy jobban megértsük a világegyetem ionizációs állapotát ebben a korban: ezeknek a galaxisoknak a kibocsátott ultraibolya fényének nem szabad elérnie bennünket egy „semleges” univerzumban, azaz mielőtt az újraionizáció megtörtént. . Több ilyen galaxis keresése most kezd tisztázni, hogy történt az átmenet a sötét korból!
Eredeti forrás: az ESO sajtóközleménye
