Мощный телескоп Subaru на Гавайях обнаружил самую далекую галактику, когда-либо виденную, расположенную на расстоянии 12,88 миллиардов световых лет - это всего лишь 780 миллионов лет после Большого взрыва. Наблюдать за такими отдаленными объектами чрезвычайно сложно не только из-за больших расстояний, но и потому, что большая часть Вселенной была скрыта за нейтральным водородом. Только тогда звезды начали очищать этот нейтральный водород, делая Вселенную прозрачной.
Астрономы, использующие телескоп Subaru на Гавайях, смотрели на 60 миллионов лет назад во времени, чем любые другие астрономы, чтобы найти самую отдаленную из известных галактик во Вселенной. При этом они поддерживают репутацию Subaru по поиску самых отдаленных и самых ранних известных галактик. Их самое последнее открытие относится к галактике I0K-1, которая находится так далеко, что астрономы видят ее так, как она появилась 12,88 миллиарда лет назад.
Это открытие, основанное на наблюдениях, сделанных Масанори Ие из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Казуаки Ота из Токийского университета, Нобунари Кашикава из NAOJ и других, указывает на то, что галактики существовали только через 780 миллионов лет после появления Вселенной. около 13,66 миллиардов лет назад, как горячий суп из элементарных частиц.
Чтобы обнаружить свет от этой галактики, астрономы использовали камеру Suprime-Cam телескопа Subaru, оснащенную специальным фильтром, для поиска потенциальных далеких галактик. Они обнаружили 41 533 объекта, и из них были идентифицированы две кандидатские галактики для дальнейшего изучения с использованием Слабой объектной камеры и спектрографа (FOCAS) на Subaru. Они обнаружили, что IOK-1, более яркий из двух, имеет красное смещение 6,964, что подтверждает его расстояние в 12,88 миллиардов световых лет.
Это открытие ставит перед астрономами задачу точно определить, что произошло между 780 и 840 миллионами лет после Большого взрыва. IOK-1 - одна из двух галактик в новом исследовании, которая может принадлежать этой далекой эпохе. Учитывая количество галактик, которые были обнаружены через 840 миллионов лет после Большого взрыва, исследовательская группа ожидала найти целых шесть галактик на этом расстоянии. Сравнительная редкость таких объектов, как IOK-1, означает, что вселенная должна была измениться за 60 миллионов лет, которые разделяют две эпохи.
Самая захватывающая интерпретация произошедшего состоит в том, что мы видим событие, известное астрономам как реионизация Вселенной. В этом случае, через 780 миллионов лет после Большого взрыва, во Вселенной все еще было достаточно нейтрального водорода, чтобы заблокировать наш взгляд на молодые галактики, поглощая свет, излучаемый их горячими молодыми звездами. Шестьдесят миллионов лет спустя, было достаточно горячих молодых звезд, чтобы ионизировать оставшийся нейтральный водород, делая вселенную прозрачной и позволяя нам видеть их звезды.
Другая интерпретация результатов говорит о том, что через 780 миллионов лет после Большого взрыва было больше больших и ярких молодых галактик, чем 60 миллионов лет спустя. В этом случае большая часть реионизации состоялась бы раньше, чем 12,88 миллиарда лет назад.
Независимо от того, какая интерпретация, наконец, превалирует, открытие указывает на то, что астрономы теперь добывают свет из «темных веков» Вселенной. Это эпоха, когда появились первые поколения звезд и галактик, и эпоха, которую астрономы не могли наблюдать до сих пор.
ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:
Археология ранней Вселенной с использованием специальных фильтров
Новорожденные галактики содержат звезды с широким диапазоном масс. Тяжелые звезды имеют более высокие температуры и испускают ультрафиолетовое излучение, которое нагревает и ионизирует соседний газ. Когда газ охлаждается, он излучает избыточную энергию, чтобы он мог вернуться в нейтральное состояние. В этом процессе водород всегда будет излучать свет с длиной волны 121,6 нм, называемый линией Лаймана-альфа. Любая галактика с множеством горячих звезд должна ярко светить на этой длине волны. Если звезды образуются все сразу, самые яркие звезды могут производить излучение Lyman-альфа в течение 10-100 миллионов лет.
Чтобы изучать галактики, подобные IOK-1, которые существуют в ранние времена во вселенной, астрономы должны исследовать альфа-свет Лимана, который растягивается и смещается в красную область на более длинные волны по мере расширения вселенной. Однако на длинах волн более 700 нанометров астрономам приходится иметь дело с выбросами на переднем плане от молекул ОН в атмосфере Земли, которые мешают слабым выбросам от удаленных объектов.
Чтобы обнаружить слабый свет от далеких галактик, исследовательская группа наблюдала на длинах волн, где атмосфера Земли не сильно светится, через окна 711, 816 и 921 нм. Эти окна соответствуют красному смещению Лайман-альфа от галактик с красными смещениями 4,8, 5,7 и 6,6 соответственно. Эти цифры показывают, насколько меньше была Вселенная по сравнению с сегодняшним днем, и соответствуют 1,26 миллиардам лет, 1,01 миллиарду лет и 840 миллионам лет после Большого взрыва. Это похоже на археологию ранней вселенной с определенными фильтрами, позволяющими ученым заглядывать в разные слои раскопок.
Чтобы получить впечатляющие новые результаты, команде пришлось разработать фильтр, чувствительный к свету с длиной волны всего около 973 нм, что соответствует альфа-излучению Лимана при красном смещении 7,0. Эта длина волны находится на пределе современных ПЗС, которые теряют чувствительность на длинах волн более 1000 нанометров. Этот единственный в своем роде фильтр, названный NB973, использует технологию многослойного покрытия, и его разработка заняла более двух лет. Фильтр должен был не только пропускать свет с длиной волны всего около 973 нм, но он также должен был равномерно покрывать все поле зрения основного фокуса телескопа. Команда работала с компанией Asahi Spectra Co.Ltd над созданием прототипа фильтра для использования с Субару Камерой слабых объектов, а затем применила этот опыт для создания фильтра для Suprime-Cam.
Наблюдения
Наблюдения с использованием фильтра NB973 проводились весной 2005 года. После более чем 15 часов выдержки полученные данные достигли предельной величины 24,9. На этом изображении было 41 533 объекта, но сравнение с изображениями, сделанными на других длинах волн, показало, что только два объекта были яркими только на изображении NB973. Команда пришла к выводу, что только эти два объекта могут быть галактиками с красным смещением 7,0. Следующим шагом было подтверждение идентичности двух объектов, IOK-1 и IOK-2, и команда наблюдала их с помощью камеры слабого объекта и спектрографа (FOCAS) на телескопе Subaru. После 8,5 часов выдержки команда смогла получить спектр линии излучения от более яркого из двух объектов, ИОК-1. Его спектр показал асимметричный профиль, который характерен для излучения Лайман-альфа из далекой галактики. Линия излучения была центрирована на длине волны 968,2 нм (красное смещение 6,964), что соответствует расстоянию 12,88 миллиардов световых лет и времени 780 миллионов лет после Большого взрыва.
Идентичность второй галактики-кандидата
Три часа наблюдения не дали каких-либо убедительных результатов для определения характера ИОК-2. С тех пор исследовательская группа получила больше данных, которые сейчас анализируются. Возможно, что IOK-2 может быть другой далекой галактикой, или это может быть объект с переменной яркостью. Например, галактика со сверхновой или черной дырой, активно поглощающей материал, который, как оказалось, казался ярким во время наблюдений с фильтром NB973. (Наблюдения в других фильтрах были сделаны один-два года назад.)
Субару Глубокое Поле
Телескоп Subaru особенно хорошо подходит для поиска самых отдаленных галактик. Из всех телескопов класса 8–10 метров в мире он является единственным, способным устанавливать камеру в фокусе. Основной фокус в верхней части трубы телескопа имеет преимущество широкого поля зрения. В результате Subaru в настоящее время доминирует в списке самых далеких известных галактик. Многие из них находятся в области неба в направлении созвездия Кома Беренис, называемого Субару Глубокое Поле, которое исследовательская группа выбрала для интенсивного изучения на многих длинах волн.
Ранняя история Вселенной и формирование первых галактик
Чтобы поместить это достижение Subaru в контекст, важно пересмотреть то, что мы знаем об истории ранней вселенной. Вселенная началась с Большого взрыва, который произошел около 13,66 миллиардов лет назад в огненном хаосе экстремальных температуры и давления. В течение первых трех минут детская вселенная быстро расширялась и охлаждалась, создавая ядра легких элементов, таких как водород и гелий, но очень мало ядер более тяжелых элементов. За 380 000 лет все остыло до температуры около 3000 градусов. В этот момент электроны и протоны могут объединиться с образованием нейтрального водорода.
С электронами, теперь связанными с атомными ядрами, свет мог путешествовать через пространство, не будучи рассеянным электронами. Мы можем фактически обнаружить свет, который пронизывал вселенную тогда. Однако из-за времени и расстояния он был растянут в 1000 раз, заполняя вселенную излучением, которое мы обнаруживаем как микроволны (так называемый космический микроволновый фон). Космический аппарат Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) исследовал это излучение, и его данные позволили астрономам рассчитать возраст Вселенной примерно в 13,66 миллиардов лет. Кроме того, эти данные подразумевают существование таких вещей, как темная материя и еще более загадочная темная энергия.
Астрономы считают, что в течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная продолжала охлаждаться и что первое поколение звезд и галактик сформировалось в самых плотных областях материи и темной материи. Этот период известен как «темные века» вселенной. Прямых наблюдений за этими событиями пока нет, поэтому астрономы используют компьютерное моделирование, чтобы связать воедино теоретические предсказания и имеющиеся данные наблюдений, чтобы понять образование первых звезд и галактик.
Когда рождаются яркие звезды, их ультрафиолетовое излучение может ионизировать соседние атомы водорода, разделяя их на отдельные электроны и протоны. В какой-то момент было достаточно ярких звезд, чтобы ионизировать почти весь нейтральный водород во вселенной. Этот процесс называется реионизацией вселенной. Эпоха реионизации знаменует конец темных веков вселенной. Сегодня большая часть водорода в пространстве между галактиками ионизирована.
Выявление эпохи реионизации
Астрономы подсчитали, что реионизация произошла где-то между 290 и 910 миллионами лет после рождения Вселенной. Определение начала и конца эпохи реионизации является одним из важных этапов понимания эволюции Вселенной и областью интенсивных исследований в космологии и астрофизике.
Похоже, что когда мы смотрим в прошлое, галактики становятся все реже и реже. Число галактик с красным смещением 7,0 (что соответствует времени около 780 миллионов лет после Большого взрыва) кажется меньшим, чем то, что астрономы видят при красном смещении 6,6 (что соответствует времени около 840 миллионов лет после Большого взрыва) , Поскольку число известных галактик с красным смещением 7,0 все еще мало (всего одна!), Трудно провести надежные статистические сравнения. Однако возможно, что уменьшение количества галактик при более высоком красном смещении связано с присутствием нейтрального водорода, поглощающего излучение Лайман-альфа из галактик при более высоком красном смещении. Если дальнейшие исследования могут подтвердить, что плотность числа подобных галактик уменьшается между красным смещением 6,6 и 7,0, это может означать, что IOK-1 существовал в эпоху реионизации Вселенной.
Эти результаты будут опубликованы в выпуске Nature от 14 сентября 2006 года.
Первоисточник: Пресс-релиз Subaru
