Credit imagine: ESO
O echipă de astronomi cu sediul în Hawaii au descoperit o galaxie îndepărtată aflată la 12,8 miliarde de ani lumină, ceea ce ne arată cum arăta Universul când avea doar 900 de milioane de ani. Au găsit galaxia folosind o cameră specială instalată pe telescopul Canada-Franța-Hawaii, care caută obiecte îndepărtate într-o frecvență de lumină foarte specifică. Descoperind această galaxie, situată în constelația Cetus, chiar lângă stea Mira, echipa a dezvoltat o nouă metodologie pentru descoperirea obiectelor îndepărtate, care ar trebui să ajute viitorii observatori să privească și mai departe în trecut.
Cu ajutorul telescoapelor și instrumentelor îmbunătățite, au devenit posibile observații despre galaxii extrem de îndepărtate și slabe, care erau până de curând visele astronomilor.
Un astfel de obiect a fost găsit de o echipă de astronomi [2] cu o cameră de câmp larg instalată la telescopul Canada-Franța-Hawaii de la Mauna Kea (Hawaii, SUA) în timpul căutării galaxiilor extrem de îndepărtate. Desemnat „z6VDF J022803-041618”, a fost detectat datorită culorii sale neobișnuite, fiind vizibil doar pe imaginile obținute printr-un filtru special de izolare a luminii într-o bandă îngustă cu infraroșu.
Un spectru de urmărire a acestui obiect cu instrumentul multi-modul FORS2 de la ESO Very Large Telescope (VLT) a confirmat că este o galaxie foarte îndepărtată (redshift-ul este 6,17 [3]). Se vede cum a fost când Universul avea doar 900 de ani.
z6VDF J022803-041618 este una dintre cele mai îndepărtate galaxii pentru care s-au obținut spectre până acum. Interesant, a fost descoperită datorită luminii emise de stelele sale masive și nu, așa cum se aștepta inițial, din emisiile de gaz hidrogen.
O scurtă istorie a Universului timpuriu
Majoritatea oamenilor de știință sunt de acord că Universul emana dintr-o stare inițială fierbinte și extrem de densă într-un Big Bang. Ultimele observații indică faptul că acest eveniment crucial a avut loc în urmă cu aproximativ 13.700 de milioane de ani.
În primele minute, s-au produs cantități enorme de hidrogen și nuclee de heliu cu protoni și neutroni. Au existat, de asemenea, o mulțime de electroni liberi și în perioada următoare, numeroși fotoni au fost împrăștiați de aceștia și de nucleii atomici. În această etapă, Universul a fost complet opac.
După aproximativ 100.000 de ani, Universul s-a răcit până la câteva mii de grade, iar nucleele și electronii acum s-au combinat pentru a forma atomi. Fotonii nu mai erau împrăștiați de acestea și Universul devenea brusc transparent. Cosmologii se referă la acest moment ca la „epoca recombinării”. Radiația de fundal cu microunde pe care o observăm acum din toate direcțiile prezintă starea de mare uniformitate în Univers în acea epocă îndepărtată.
În următoarea fază, atomii primordiali - mai mult de 99% din hidrogen și heliu - s-au mișcat împreună și au început să formeze nori uriași din care au apărut ulterior stele și galaxii. Prima generație de stele și, ceva mai târziu, primele galaxii și quasari [4], au produs radiații ultraviolete intense. Această radiație nu a călătorit foarte departe, în ciuda faptului că Universul devenise transparent cu mult timp în urmă. Acest lucru se datorează faptului că fotonii ultraviolete (lungime de undă scurtă) ar fi imediat absorbiți de atomii de hidrogen, „lovind” electronii de pe acei atomi, în timp ce fotonii cu lungime de undă mai lungă ar putea călători mult mai departe. Astfel, gazul intergalactic a devenit din nou ionizat în sfere în continuă creștere în jurul surselor ionizante.
La un moment dat, aceste sfere deveniseră atât de mari încât s-au suprapus complet; aceasta este denumită „epoca re-ionizării”. Până atunci, radiațiile ultraviolete au fost absorbite de atomi, dar Universul a devenit, de asemenea, transparent la această radiație. Înainte, lumina ultravioletă de la primele stele și galaxii nu putea fi văzută pe distanțe mari, dar acum Universul părea brusc plin de obiecte luminoase. Din acest motiv intervalul de timp dintre epocile „recombinării” și „reionizării” este denumit „Evul Întunecat”.
Când a fost sfârșitul „Evul Mediu”?
Epoca exactă a reionizării este un subiect de dezbatere activă în rândul astronomilor, dar rezultatele recente ale observațiilor la sol și spațiu indică faptul că „Evul Întunecat” a durat câteva sute de milioane de ani. Sunt deja în curs de desfășurare diverse programe de cercetare care încearcă să determine mai bine când s-au întâmplat aceste evenimente timpurii. Pentru aceasta, este necesar să găsim și să studiem în detaliu cele mai timpurii și, prin urmare, cele mai îndepărtate obiecte din Univers - și acesta este un efort de observație foarte solicitant.
Lumina este întunecată de pătratul distanței și cu atât mai mult privim în spațiu pentru a observa un obiect - și, prin urmare, înapoi în timp, îl vedem - mai slab în care apare. În același timp, lumina sa slabă este deplasată către regiunea roșie a spectrului datorită expansiunii Universului - cu cât este mai mare distanța, cu atât este mai mare redshiftul observat [3].
Linia de emisii Lyman-alfa
Cu telescoapele la sol, limitele de detectare mai slabe sunt obținute prin observații în partea vizibilă a spectrului. Detectarea obiectelor foarte îndepărtate necesită, așadar, observații de semnături spectrale ultraviolete care au fost redinse în regiunea vizibilă. În mod normal, astronomii folosesc pentru aceasta linia de emisie spectrală Lyman-alpha redshifted cu lungimea de undă de repaus 121,6 nm; corespunde fotonilor emiți de atomii de hidrogen atunci când se schimbă de la o stare excitată la starea lor fundamentală.
Un mod evident de a căuta cele mai îndepărtate galaxii este, prin urmare, de a căuta emisia Lyman-alfa la cea mai roșie (cea mai lungă) lungime de undă posibilă. Cu cât lungimea de undă a liniei Lyman-alfa observată este mai mare, mai mare este redshift-ul și distanța, iar mai devreme este epoca în care vedem galaxia și cu cât ajungem mai aproape de momentul care a marcat sfârșitul „Evul Întunecat. “.
Detectoarele CCD utilizate în instrumentele astronomice (precum și în camerele digitale comerciale) sunt sensibile la lumina lungimilor de undă de până la aproximativ 1000 nm (1 m), adică în regiunea spectrală foarte infraroșu, dincolo de lumina cea mai roșie care poate să fie perceput de ochiul uman la aproximativ 700-750 nm.
Cerul luminos aproape infraroșu de noapte
Există, însă, o altă problemă pentru acest tip de muncă. Căutarea unei emisiuni slabe de Lyman-alfa din galaxii îndepărtate este complicată de faptul că atmosfera terestră - prin care trebuie să privească toate telescoapele la sol - emite și ea lumină. Acest lucru se întâmplă în special în partea roșie și infraroșu aproape a spectrului în care sute de linii de emisie discrete provin din molecula de hidroxil (radicalul OH) care este prezent în atmosfera terestră superioară la o altitudine de aproximativ 80 km (a se vedea fotografia PR 13a / 03).
Această emisie puternică la care astronomii se referă la „fundalul cerului” este responsabilă pentru limita de leșință la care obiectele cerești pot fi detectate cu telescoape la sol la lungimi de undă aproape infraroșii. Cu toate acestea, din fericire, există intervale spectrale de „fundal de OH scăzut” în care aceste linii de emisie sunt mult mai slabe, permițând astfel o limită de detectare a defecțiunilor din observațiile la sol. Două astfel de „ferestre cu ceruri întunecate” sunt evidente în PR Photo 13a / 03, aproape de lungimi de undă de 820 și 920 nm.
Având în vedere aceste aspecte, o modalitate promițătoare de a căuta eficient cele mai îndepărtate galaxii este, prin urmare, să observați la lungimi de undă de aproape 920 nm cu ajutorul unui filtru optic cu bandă îngustă. Adaptarea lățimii spectrale a acestui filtru la aproximativ 10 nm permite detectarea cât mai multor lumină de la obiectele cerești posibil atunci când este emisă într-o linie spectrală care se potrivește cu filtrul, reducând în același timp influența adversă a emisiilor cerului.
Cu alte cuvinte, cu un maxim de lumină colectat de la obiectele îndepărtate și un minim de lumină deranjantă din atmosfera terestră, șansele de a detecta acele obiecte îndepărtate sunt optime. Astronomii vorbesc despre „maximizarea contrastului” obiectelor care prezintă linii de emisie la această lungime de undă.
Programul de căutare CFHT
Pe baza considerentelor de mai sus, o echipă internațională de astronomi [2] a instalat un filtru optic cu bandă îngustă centrat la lungimea de undă de aproape infraroșu de 920 nm pe instrumentul CFH12K la telescopul Canada-Franța-Hawaii pe Mauna Kea (Hawaii, SUA) să caute galaxii extrem de îndepărtate. CFH12K este o cameră cu câmp larg utilizat în centrul atenției al CFHT, oferind un câmp de vedere de aprox. 30 x 40 arcmin2, ceva mai mare decât luna plină [5].
Comparând imagini ale aceluiași câmp cer realizat prin diferite filtre, astronomii au putut identifica obiecte care apar comparativ „luminoase” în imaginea NB920 și „leșin” (sau chiar nu sunt vizibile) în imaginile corespunzătoare obținute prin celelalte filtre. . Un exemplu izbitor este prezentat în PR Photo 13b / 03 - obiectul din centru este bine vizibil în imaginea de 920 nm, dar deloc în celelalte imagini.
Cea mai probabilă explicație pentru un obiect cu o culoare atât de neobișnuită este că este o galaxie foarte îndepărtată pentru care lungimea de undă observată a liniei puternice de emisie Lyman-alfa este apropiată de 920 nm, din cauza redshift-ului. Orice lumină emisă de galaxie la lungimi de undă mai scurte decât Lyman-alfa este puternic absorbită de gazul hidrogen interstelar și intergalactic; acesta este motivul pentru care obiectul nu este vizibil în toate celelalte filtre.
Spectrul VLT
Pentru a afla adevărata natură a acestui obiect, este necesar să se efectueze o monitorizare spectroscopică, prin respectarea spectrului său. Acest lucru a fost realizat cu instrumentul multimodal FORS 2 la telescopul VLT YEPUN de 8,2 m la Observatorul Paranal ESO. Această facilitate oferă o combinație perfectă de rezoluție spectrală moderată și sensibilitate ridicată în roșu pentru acest tip de observație foarte solicitantă. Spectrul rezultat (slab) este prezentat în PR Photo 13c / 03.
PR Foto 13d / 03 prezintă o urmărire a spectrului final („curățat”) al obiectului după extragerea din imaginea prezentată în PR Photo 13c / 03. O linie de emisie largă este clar detectată (la stânga centrului; mărită în insert). Este asimetric, fiind deprimat pe partea sa albastră (stânga). Aceasta, combinată cu faptul că nu este detectată nicio lumină continuă la stânga liniei, este o semnătură spectrală clară a liniei Lyman-alfa: fotonii „mai albi” decât Lyman-alfa sunt puternic absorbiți de gazul prezent în galaxia în sine , și în mediul intergalactic de-a lungul liniei de vedere dintre Pământ și obiect.
Prin urmare, observațiile spectroscopice au permis astronomilor să identifice fără echivoc această linie ca Lyman-alfa și, prin urmare, să confirme distanța mare (ridicarea ridicată) a acestui obiect particular. Redshift-ul măsurat este 6.17, ceea ce face din acest obiect una dintre cele mai îndepărtate galaxii detectate vreodată. Acesta a primit denumirea „z6VDF J022803-041618” - prima parte a acestui nume oarecum nepoliticos se referă la sondaj și a doua indică poziția acestei galaxii pe cer.
Lumina stelară în Universul timpuriu
Totuși, aceste observații nu au venit fără surprindere! Astronomii au sperat (și se așteptau) să detecteze linia Lyman-alfa din obiectul din centrul ferestrei spectrale de 920 nm. Cu toate acestea, în timp ce a fost găsită linia Lyman-alfa, aceasta a fost poziționată la o lungime de undă ceva mai scurtă.
Astfel, nu emisia Lyman-alfa a făcut ca această galaxie să fie „strălucitoare” în imaginea cu bandă îngustă (NB920), ci emisia „continuă” la lungimi de undă mai lungi decât cea a lui Lyman-alfa. Această radiație este foarte slab vizibilă ca linie difuză orizontală în PR Photo 13c / 03.
O consecință este că redshift-ul măsurat de 6.17 este mai mic decât redshift-ul prevăzut inițial de aproximativ 6.5. Un alt lucru este că z6VDF J022803-041618 a fost detectat prin lumină din stelele sale masive („continuul”) și nu prin emisii din gazul de hidrogen (linia Lyman-alfa).
Această concluzie interesantă prezintă un interes deosebit, deoarece arată că, în principiu, este posibilă detectarea galaxiilor la această distanță enormă, fără a fi nevoie să se bazeze pe linia de emisie Lyman-alfa, care poate nu este întotdeauna prezentă în spectrele galaxiilor îndepărtate. Acest lucru va oferi astronomilor o imagine mai completă a populației de galaxii din Universul timpuriu.
Mai mult, observarea din ce în ce mai mult a acestor galaxii îndepărtate va ajuta la o mai bună înțelegere a stării de ionizare a Universului la această vârstă: lumina ultravioletă emisă de aceste galaxii nu ar trebui să ne ajungă într-un Univers „neutru”, adică înainte de re-ionizarea . Vânătoarea mai multor astfel de galaxii este acum pentru a clarifica cum s-a întâmplat tranziția de la Evul Întunecat!
Sursa originală: Comunicat de știri ESO
