Изображение предоставлено: ESO
Команда астрономов, базирующаяся на Гавайях, обнаружила отдаленную галактику на расстоянии 12,8 миллиардов световых лет, которая показывает нам, как выглядела Вселенная, когда ей было всего 900 миллионов лет. Они нашли галактику с помощью специальной камеры, установленной на телескопе Канада-Франция-Гавайи, которая ищет отдаленные объекты с очень определенной частотой света. Открыв эту галактику, расположенную в созвездии Кита, прямо возле звезды Мира, команда разработала новую методологию для обнаружения отдаленных объектов, которая должна помочь будущим наблюдателям заглянуть еще дальше в прошлое.
Благодаря улучшенным телескопам и приборам стали возможными наблюдения чрезвычайно отдаленных и слабых галактик, которые до недавнего времени были мечтами астрономов.
Один такой объект был обнаружен группой астрономов [2] с широкоугольной камерой, установленной на телескопе Канада-Франция-Гавайи в Мауна-Кеа (Гавайи, США) во время поиска чрезвычайно далеких галактик. Обозначенный «z6VDF J022803-041618», он был обнаружен из-за своего необычного цвета, видимого только на изображениях, полученных через специальный оптический фильтр, изолирующий свет в узком ближнем инфракрасном диапазоне.
Наблюдение за спектром этого объекта с помощью многомодового прибора FORS2 на очень большом телескопе ESO (VLT) подтвердило, что это очень далекая галактика (красное смещение 6,17 [3]). Видно, как это было, когда Вселенной было всего около 900 миллионов лет.
z6VDF J022803-041618 является одной из самых далеких галактик, для которых спектры были получены до сих пор. Интересно, что он был открыт благодаря свету, излучаемому его массивными звездами, а не, как первоначально предполагалось, излучением водородного газа.
Краткая история ранней Вселенной
Большинство ученых сходятся во мнении, что Вселенная возникла из горячего и чрезвычайно плотного начального состояния Большого взрыва. Последние наблюдения показывают, что это важное событие произошло около 13 700 миллионов лет назад.
В течение первых нескольких минут были получены огромные количества ядер водорода и гелия с протонами и нейтронами. Было также много свободных электронов, и в течение следующей эпохи многочисленные фотоны были рассеяны от этих и атомных ядер. На этом этапе Вселенная была полностью непрозрачной.
Примерно через 100 000 лет Вселенная охладилась до нескольких тысяч градусов, и теперь ядра и электроны объединились в атомы. Затем фотоны больше не рассеивались от них, и Вселенная внезапно становилась прозрачной. 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.
На следующем этапе первобытные атомы - более 99% которых составляли водород и гелий - сместились вместе и начали образовывать огромные облака, из которых впоследствии возникли звезды и галактики. Звезды первого поколения и несколько позже первые галактики и квазары [4] производили интенсивное ультрафиолетовое излучение. Однако это излучение не распространялось очень далеко, несмотря на то, что Вселенная давно стала прозрачной. Это связано с тем, что ультрафиолетовые (коротковолновые) фотоны будут немедленно поглощаться атомами водорода, «сбивая» электроны с этих атомов, в то время как фотоны с большей длиной волны могут перемещаться гораздо дальше. Таким образом, межгалактический газ снова стал ионизированным в постоянно растущих сферах вокруг ионизирующих источников.
В какой-то момент эти сферы стали настолько большими, что полностью перекрыли друг друга; это называется «эпохой реионизации». До этого ультрафиолетовое излучение поглощалось атомами, но Вселенная теперь также стала прозрачной для этого излучения. Раньше ультрафиолетовое излучение этих первых звезд и галактик не было видно на больших расстояниях, но теперь Вселенная внезапно оказалась переполненной яркими объектами. По этой причине временной интервал между эпохами «рекомбинации» и «реионизации» называется «темными веками».
Когда был конец «темных веков»?
Точная эпоха реионизации является предметом активных дебатов среди астрономов, но последние результаты наземных и космических наблюдений показывают, что «темные века» длились несколько сотен миллионов лет. В настоящее время разрабатываются различные исследовательские программы, которые пытаются лучше определить, когда произошли эти ранние события. Для этого необходимо найти и детально изучить самые ранние и, следовательно, самые отдаленные объекты во Вселенной - и это очень требовательное наблюдение.
Свет тускнеет на квадрате расстояния, и чем дальше мы смотрим в пространство, чтобы наблюдать объект - и, следовательно, чем дальше назад мы видим его - тем слабее он появляется. В то же время его тусклый свет смещается в красную область спектра из-за расширения Вселенной - чем больше расстояние, тем больше наблюдаемое красное смещение [3].
Линия эмиссии Lyman-alpha
С наземными телескопами самые слабые пределы обнаружения достигаются при наблюдениях в видимой части спектра. Поэтому обнаружение очень удаленных объектов требует наблюдения спектральных сигнатур ультрафиолетового излучения, которые были смещены в видимую область. Обычно астрономы используют для этого красную смещенную спектральную линию излучения Лаймана-альфа с длиной волны покоя 121,6 нм; он соответствует фотонам, испускаемым атомами водорода, когда они переходят из возбужденного состояния в основное состояние.
Поэтому очевидным способом поиска наиболее удаленных галактик является поиск излучения альфа-излучения Лимана на самых красных (самых длинных) длинах волн. Чем длиннее длина волны наблюдаемой линии Лаймана-альфа, тем больше красное смещение и расстояние, и тем раньше наступает эпоха, в которую мы видим галактику, и чем ближе мы подходим к моменту, обозначившему конец «темных веков» ».
ПЗС-детекторы, используемые в астрономических приборах (а также в коммерческих цифровых камерах), чувствительны к свету с длиной волны до 1000 нм (1 м), т.е. в очень ближней инфракрасной области спектра, за пределами самого красного света, который может восприниматься человеческим глазом на расстоянии около 700-750 нм.
Яркое ближнее инфракрасное ночное небо
Однако есть еще одна проблема для такой работы. Поиск слабого излучения Лайман-альфа из далеких галактик осложняется тем фактом, что земная атмосфера, через которую должны смотреть все наземные телескопы, также излучает свет. Это особенно верно в красной и ближней инфракрасной части спектра, где сотни дискретных эмиссионных линий происходят от молекулы гидроксила (радикала ОН), которая присутствует в верхней части земной атмосферы на высоте около 80 км (см. PR Photo 13а / 03).
Это сильное излучение, которое астрономы называют «фоном неба», отвечает за предел слабости, при котором небесные объекты могут быть обнаружены с помощью наземных телескопов на длинах волн, близких к инфракрасному. Однако, к счастью, существуют спектральные интервалы «низкого фона OH», где эти линии излучения намного слабее, что позволяет определить более слабый предел обнаружения по наземным наблюдениям. Два таких «окна темного неба» видны на PR Photo 13a / 03 вблизи длин волн 820 и 920 нм.
Учитывая эти аспекты, многообещающим способом эффективного поиска наиболее удаленных галактик является наблюдение на длинах волн около 920 нм с помощью узкополосного оптического фильтра. Адаптация спектральной ширины этого фильтра примерно до 10 нм позволяет обнаруживать как можно больше света от небесных объектов при излучении в спектральной линии, совпадающей с фильтром, в то же время сводя к минимуму неблагоприятное влияние излучения неба.
Другими словами, при максимуме света, собираемого от удаленных объектов, и минимуме мешающего света от земной атмосферы, шансы обнаружения этих удаленных объектов являются оптимальными. Астрономы говорят о «максимизации контраста» объектов, показывающих линии излучения на этой длине волны.
Программа поиска CFHT
Исходя из вышеизложенного, международная команда астрономов [2] установила узкополосный оптический фильтр с центром на длине волны ближнего инфракрасного диапазона 920 нм на приборе CFH12K на телескопе Канада-Франция-Гавайи на Мауна-Кеа (Гавайи, США). искать чрезвычайно далекие галактики. CFH12K - это широкоугольная камера, используемая в основном фокусе CFHT, обеспечивающая поле зрения прибл. 30 x 40 arcmin2, несколько больше, чем полная луна [5].
Сравнивая изображения одного и того же поля неба, полученные через разные фильтры, астрономы смогли идентифицировать объекты, которые выглядят сравнительно «яркими» на изображении NB920 и «тусклыми» (или даже не видны) на соответствующих изображениях, полученных с помощью других фильтров. , Яркий пример показан на PR Photo 13b / 03 - объект в центре хорошо виден на изображении 920 нм, но совсем не на других изображениях.
Наиболее вероятное объяснение для объекта с таким необычным цветом состоит в том, что это очень далекая галактика, для которой наблюдаемая длина волны сильной линии излучения Лимана-альфа близка к 920 нм из-за красного смещения. Любой свет, излучаемый галактикой на длинах волн короче, чем Lyman-alpha, сильно поглощается промежуточным межзвездным и межгалактическим газообразным водородом; это причина того, что объект не виден во всех других фильтрах.
Спектр VLT
Чтобы узнать истинную природу этого объекта, необходимо выполнить спектроскопическое наблюдение, наблюдая за его спектром. Это было достигнуто с помощью многомодового прибора FORS 2 на 8,2-метровом телескопе VLT YEPUN в Парано-обсерватории ESO. Это средство обеспечивает идеальное сочетание умеренного спектрального разрешения и высокой чувствительности в красном для этого очень требовательного наблюдения. Результирующий (слабый) спектр показан на PR Photo 13c / 03.
На фото PR 13d / 03 показано отслеживание конечного («очищенного») спектра объекта после выделения из изображения, показанного на фото PR 13c / 03. Четко определена одна широкая эмиссионная линия (слева от центра; увеличена на вставке). Это асимметрично, будучи в депрессии на его синей (левой) стороне. Это, в сочетании с тем фактом, что слева от линии не обнаружен непрерывный свет, является четкой спектральной характеристикой линии Лаймана-альфа: фотоны, более «голубые», чем Лайман-альфа, сильно поглощаются газом, присутствующим в самой галактике. и в межгалактической среде вдоль линии прямой видимости между Землей и объектом.
Спектроскопические наблюдения поэтому позволили астрономам однозначно идентифицировать эту линию как Lyman-alpha, и, следовательно, подтвердить большое расстояние (высокое красное смещение) этого конкретного объекта. Измеренное красное смещение составляет 6,17, что делает этот объект одной из самых отдаленных галактик, когда-либо обнаруженных. Он получил обозначение «z6VDF J022803-041618» - первая часть этого несколько громоздкого названия относится к обзору, а вторая указывает на положение этой галактики в небе.
Звездный свет в ранней Вселенной
Однако эти наблюдения не стали неожиданностью! Астрономы надеялись (и ожидали) обнаружить линию Лаймана-альфа от объекта в центре спектрального окна 920 нм. Однако, хотя была обнаружена линия Лаймана-альфа, она была расположена на несколько меньшей длине волны.
Таким образом, не излучение Лаймана-альфа привело к тому, что эта галактика была «яркой» на узкополосном изображении (NB920), а «континуальное» излучение на длинах волн, более длинных, чем излучение Лаймана-альфа. Это излучение очень слабо видно в виде горизонтальной диффузной линии в PR Photo 13c / 03.
Одним из следствий этого является то, что измеренное красное смещение 6,17 ниже, чем первоначально предсказанное красное смещение около 6,5. Другое - то, что z6VDF J022803-041618 был обнаружен светом от его массивных звезд («континуум»), а не излучением газообразного водорода (линия Лаймана-альфа).
Этот интересный вывод представляет особый интерес, поскольку он показывает, что в принципе возможно обнаружить галактики на этом огромном расстоянии без необходимости полагаться на линию излучения Лаймана-альфа, которая не всегда может присутствовать в спектрах далеких галактик. Это даст астрономам более полное представление о населении галактики в ранней Вселенной.
Более того, наблюдение большего и большего количества этих далеких галактик поможет лучше понять состояние ионизации Вселенной в этом возрасте: ультрафиолетовый свет, излучаемый этими галактиками, не должен достигать нас в «нейтральной» Вселенной, т. Е. До того, как произошла реионизация , Сейчас идет поиск новых галактик, чтобы прояснить, как произошел переход из темных веков!
Источник: ESO News Release
