Изображение предоставлено: ESO
Международная группа астрономов использовала Очень Большой телескоп (VLT) Европейской южной обсерватории, чтобы заглянуть глубоко в космос и увидеть галактики, расположенные на расстоянии 12,6 миллиардов световых лет - эти галактики видны, когда Вселенная составляла всего 10% от ее нынешнего возраста. Было найдено несколько галактик этой старой, и эта новая коллекция помогла астрономам прийти к выводу, что они являются частью космического темного века, когда светящиеся галактики были реже - их стало намного больше всего через 500 миллионов лет.
Используя ESO Very Large Telescope (VLT), два астронома из Германии и Великобритании [2] обнаружили некоторые из самых отдаленных галактик, которые когда-либо видели. Они расположены на расстоянии около 12 600 миллионов световых лет.
Для прохождения этого огромного расстояния потребовался свет, зарегистрированный VLT около девяти десятых возраста Вселенной. Поэтому мы наблюдаем эти галактики такими, какими они были в то время, когда Вселенная была очень молода, менее чем около 10% ее нынешнего возраста. В это время Вселенная выходила из долгого периода, известного как «темные века», вступая в светлую эпоху «космического ренессанса».
В отличие от предыдущих исследований, которые привели к открытию нескольких широко рассеянных галактик в эту раннюю эпоху, настоящее исследование обнаружило по меньшей мере шесть отдаленных жителей в пределах небольшой области неба, менее чем на пять процентов размера полной луны! Это позволило понять эволюцию этих галактик и то, как они влияют на состояние Вселенной в ее юности.
В частности, астрономы на основании своих уникальных данных заключают, что на этой ранней стадии во Вселенной было значительно меньше светящихся галактик, чем 500 миллионов лет спустя.
Поэтому в исследуемой ими области космоса должно быть много менее светящихся галактик, слишком слабых, чтобы их можно было обнаружить в этом исследовании. Это должны быть те еще неопознанные галактики, которые испускают большинство энергетических фотонов, необходимых для ионизации водорода во Вселенной в эту конкретную эпоху.
От Большого взрыва к космическому ренессансу
В наши дни во Вселенную пронизано мощное ультрафиолетовое излучение, создаваемое квазарами и горячими звездами. Коротковолновые фотоны освобождают электроны от атомов водорода, которые составляют диффузную межгалактическую среду, и поэтому последняя практически полностью ионизируется. Однако в истории Вселенной была ранняя эпоха, когда это было не так.
Вселенная возникла из горячего и чрезвычайно плотного начального состояния, так называемого Большого взрыва. Астрономы считают, что это произошло около 13 700 миллионов лет назад.
В течение первых нескольких минут было произведено огромное количество протонов, нейтронов и электронов. Вселенная была настолько горячей, что протоны и электроны свободно плавали: Вселенная была полностью ионизирована.
Примерно через 100 000 лет Вселенная охладилась до нескольких тысяч градусов, и теперь ядра и электроны объединились в атомы. Космологи называют этот момент «эпохой рекомбинации». Микроволновое фоновое излучение, которое мы сейчас наблюдаем со всех сторон, отражает состояние большой однородности во Вселенной в ту далекую эпоху.
Однако это было также время, когда Вселенная погрузилась во тьму. С одной стороны, реликтовое излучение исконного огненного шара было растянуто космическим расширением в направлении более длинных волн и поэтому больше не могло ионизовать водород. Напротив, он был захвачен только что образовавшимися атомами водорода. С другой стороны, еще не было сформировано ни звезд, ни квазаров, которые могли бы освещать обширное пространство. Поэтому эту мрачную эпоху вполне обоснованно называют «темными веками». Наблюдения еще не смогли проникнуть в этот отдаленный век - наши знания все еще зачаточны и все основаны на теоретических расчетах.
Спустя несколько сотен миллионов лет, или, по крайней мере, так считают астрономы, из огромных газовых облаков, которые двигались вместе, образовались самые первые массивные объекты. Звезды первого поколения, а несколько позже - первые галактики и квазары - излучали интенсивное ультрафиолетовое излучение. Однако это излучение не могло распространяться очень далеко, так как оно было бы немедленно поглощено атомами водорода, которые снова были ионизированы в этом процессе.
Таким образом, межгалактический газ снова ионизировался в постоянно растущих сферах вокруг ионизирующих источников. В какой-то момент эти сферы стали настолько большими, что полностью перекрыли друг друга: туман над Вселенной поднялся!
Это был конец темных веков, и термин, вновь перенятый из человеческой истории, иногда называют «космическим ренессансом». Описывая наиболее значительную особенность этого периода, астрономы также называют ее «эпохой реионизации».
Нахождение самых отдаленных галактик с помощью VLT
Чтобы пролить некоторый свет на состояние Вселенной в конце темных веков, необходимо открыть и изучить чрезвычайно далекие (то есть с большим красным смещением [2]) галактики. Могут использоваться различные методы наблюдений - например, отдаленные галактики были обнаружены с помощью узкополосного изображения (например, ESO PR 12/03), с использованием изображений, которые были усилены гравитацией массивными скоплениями, а также по счастливой случайности.
Мэтью Ленерт из MPE в Гархинге, Германия, и Малкольм Бремер из Университета Бристоля, Великобритания, использовали специальную технику, которая использует изменение наблюдаемых цветов далекой галактики, вызванное поглощением в промежуточной межгалактической среде. Галактики с красными смещениями от 4,8 до 5,8 [2] можно найти, отыскивая галактики, которые выглядят сравнительно яркими в красном оптическом свете и которые слабы или не обнаруживаются в зеленом свете. Такие «разрывы» в распределении света отдельных галактик являются убедительным доказательством того, что галактика может находиться на большом красном смещении и что ее свет начал свое долгое путешествие к нам, всего лишь через 1000 миллионов лет после Большого взрыва.
Для этого они впервые использовали многорежимный инструмент FORS2 на 8,2-метровом телескопе VLT YEPUN, чтобы делать чрезвычайно «глубокие» снимки через три оптических фильтра (зеленый, красный и очень красный) небольшой области неба (40 квадратных угловых минут). или примерно 5 процентов от размера полной луны). На этих изображениях было обнаружено около 20 галактик с большими разрывами между зеленым и красным фильтрами, что позволяет предположить, что они расположены на большом красном смещении. Спектры этих галактик были затем получены с помощью того же прибора, чтобы измерить их истинные красные смещения.
«Ключом к успеху этих наблюдений стало использование великолепного нового детектора с усилением красного цвета, доступного на FORS2», - говорит Малкольм Бремер.
Спектры показали, что шесть галактик расположены на расстоянии, соответствующем красному смещению между 4,8 и 5,8; другие галактики были ближе. Удивительно, но к радости астрономов одна эмиссионная линия была замечена в другой слабой галактике, которая была случайно обнаружена (она оказалась в одной из щелей FORS2), которая может быть расположена еще дальше, на красном смещении 6.6. Если это будет подтверждено последующими более подробными наблюдениями, эта галактика станет претендентом на золотую медаль как самую отдаленную из известных!
Самые ранние из известных галактик
Спектры показали, что эти галактики активно формируют звезды и, вероятно, не старше 100 миллионов лет, возможно, даже моложе. Тем не менее, их количество и наблюдаемая яркость указывают на то, что светящиеся галактики на этих красных смещениях меньше и меньше, чем светящиеся галактики, подобранные нам ближе.
«Наши результаты показывают, что объединенного ультрафиолетового света от обнаруженных галактик недостаточно для полной ионизации окружающего газа», - объясняет Малком Бремер. «Это приводит нас к выводу, что в исследуемой нами области пространства должно быть гораздо больше меньших и менее светящихся галактик, слишком слабых, чтобы их можно было обнаружить таким образом. Именно эти все еще невидимые галактики испускают большинство энергетических фотонов, необходимых для ионизации водорода во Вселенной ».
«Следующим шагом будет использование VLT, чтобы находить больше и слабее галактик при еще больших красных смещениях», - добавляет Мэтью Ленерт. «Имея большую выборку таких удаленных объектов, мы можем получить представление об их природе и изменении их плотности в небе».
Британская премьера
Представленные здесь наблюдения являются одними из первых крупных открытий британских ученых с тех пор, как Великобритания стала членом ESO в июле 2002 года. Ричард Уэйд из Научного совета по физике и астрономии частиц (PPARC), который финансирует британскую подписку на ESO, очень рад : «Вступая в Европейскую южную обсерваторию, британские астрономы получили доступ к ведущим объектам мира, таким как VLT. Эти захватывающие новые результаты, которых, я уверен, будет еще много, иллюстрируют, как британские астрономы вносят свой вклад в передовые открытия ».
Больше информации
Результаты, описанные в этом пресс-релизе, скоро появятся в исследовательском журнале Astrophysical Journal («Светящиеся галактики с разрывом Лимана при z> 5 и источник реионизации» М. Д. Ленерта и М. Бремера). Он доступен в электронном виде как astro-ph / 0212431.
Ноты
[1]: это скоординированный пресс-релиз ESO / PPARC. Версию релиза PPARC можно найти здесь.
[2]: Эта работа была выполнена Малкольмом Бремером (Университет Бристоля, Соединенное Королевство) и Мэтью Ленертом (Max-Planck-Institut f? R Extraterrestrische Physik, Garching, Германия).
[3]: Измеренные красные смещения галактик в глубоком поле Бремера составляют z = 4,8-5,8, с одним неожиданным (и неожиданным) красным смещением 6,6. В астрономии красное смещение обозначает долю, на которую линии в спектре объекта сдвигаются в сторону более длинных волн. Наблюдаемое красное смещение удаленной галактики дает оценку ее расстояния. Расстояния, указанные в настоящем тексте, основаны на возрасте Вселенной 13,7 миллиардов лет. При указанном красном смещении наблюдается лиман-альфа-линия атомарного водорода (длина волны покоя 121,6 нм) при 680-920 нм, то есть в красной области спектра.
Источник: ESO News Release
