Snažni teleskop Subaru na Havajima pronašao je najudaljeniju galaksiju koju je ikada vidio, a nalazi se na udaljenosti od 12,88 milijardi svjetlosnih godina - to je samo 780 milijuna godina nakon Velikog praska. Promatranje objekata na ovim udaljenim lokacijama izuzetno je teško, ne samo zbog velikih udaljenosti, već i zbog toga što je velik dio Svemira zamračen iza neutralnog vodika. Zvijezde su tek tada počele čistiti taj neutralni vodik, čineći Svemir transparentnim.
Astronomi koji koriste teleskop Subaru na Havajima pogledali su 60 milijuna godina unatrag u odnosu na sve druge astronoma kako bi pronašli najudaljeniju poznatu galaksiju u svemiru. Pri tome podržavaju Subaruov rekord u pronalaženju najudaljenijih i najranijih galaksija poznatih. Njihovo najnovije otkriće je galaksija zvana I0K-1 koja leži toliko daleko da ju astronomi vide onako kako se pojavila prije 12,88 milijardi godina.
Ovo otkriće, zasnovano na opažanjima Masanori Iye iz Japanskog nacionalnog astronomskog opservatorija (NAOJ), Kazuaki Ota sa sveučilišta u Tokiju, Nobunari Kashikawa iz NAOJ-a i drugih, ukazuje da su galaksije postojale samo 780 milijuna godina nakon što je svemir nastao prije oko 13,66 milijardi godina kao vruća juha od elementarnih čestica.
Da bi otkrili svjetlost iz ove galaksije, astronomi su koristili Subaru-ovu kameru Suprime-Cam teleskopa Subaru opremljenog posebnim filtrom za traženje udaljenih galaksija kandidata. Pronašli su 41.533 predmeta, a od njih su identificirali dvije galaksije kandidatkinje za daljnje proučavanje pomoću objektivne kamere i spektrografa (FOCAS) na Subaruu. Otkrili su da IOK-1, svjetliji od njih dva, ima crveni pomak 6.964, što potvrđuje udaljenost od 12,88 milijardi svjetlosnih godina.
Ovo otkriće izaziva astronome da utvrde što se točno dogodilo između 780. i 840 milijuna godina nakon Velikog praska. IOK-1 jedna je od samo dvije galaksije u novoj studiji koja bi mogla pripadati ovoj dalekoj epohi. S obzirom na broj galaksija koji su otkriveni tijekom 840 milijuna godina nakon Velikog praska, istraživački tim je očekivao da će na toj udaljenosti pronaći čak šest galaksija. Usporedna rijetkost objekata poput IOK-1 znači da se svemir morao promijeniti tijekom 60 milijuna godina koji razdvajaju dvije epohe.
Najuzbudljivija interpretacija onoga što se dogodilo je da vidimo događaj poznat astronomima kao reionizaciju svemira. U ovom slučaju, 780 milijuna godina nakon Velikog praska, svemir je još uvijek imao dovoljno neutralnog vodika da blokira naš pogled na mlade galaksije apsorbiranjem svjetlosti proizvedene od njihovih vrućih mladih zvijezda. Šezdeset milijuna godina kasnije bilo je dovoljno vrućih mladih zvijezda koje su ionizirale preostali neutralni vodik, čineći svemir transparentnim i omogućujući nam da vidimo njihove zvijezde.
Druga interpretacija rezultata kaže da je nakon Velikog praska bilo manje velikih i svijetlih mladih galaksija, nego 60 milijuna godina kasnije. U ovom se slučaju većina reonizacije dogodila prije 12,88 milijardi godina.
Bez obzira koja interpretacija napokon prevlada, otkriće signalizira da astronomi sada iskopavaju svjetlost iz "mračnog vijeka" svemira. Ovo je epoha kada su nastale prve generacije zvijezda i galaksija i epoha koju astronomi do sada nisu mogli promatrati.
POPRATNE INFORMACIJE:
Arheologija ranog svemira pomoću posebnih filtera
Novorođene galaksije sadrže zvijezde sa širokim rasponom masa. Teže zvijezde imaju više temperature i emitiraju ultraljubičasto zračenje koje zagrijava i ionizira plin u blizini. Kako se plin hladi, on zrači viškom energije tako da se može vratiti u neutralno stanje. U tom procesu vodik će uvijek emitirati svjetlost na 121,6 nanometra, nazvanoj Lyman-alfa linijom. Svaka galaksija s mnogim vrućim zvijezdama trebala bi jarko zasjati ovom valnom duljinom. Ako zvijezde formiraju sve odjednom, najsvjetlije zvijezde mogle bi proizvesti Lyman-alfa emisiju za 10 do 100 milijuna godina.
Da bi proučavale galaksije poput IOK-1 koje postoje u ranim vremenima svemira, astronomi moraju pretraživati Lyman-alfa svjetlo koje se proteže i ponovo premješta na veće valne duljine kako se svemir širi. Međutim, na valnim duljinama većim od 700 nanometara, astronomi se moraju nositi s emisijama prednjeg dijela molekula OH u Zemljinoj vlastitoj atmosferi koje ometaju slabe emisije iz udaljenih objekata.
Da bi otkrio slabu svjetlost iz dalekih galaksija, istraživački tim promatrao je valne duljine gdje zemaljska atmosfera ne svijetli puno, kroz prozore na 711, 816 i 921 nanometar. Ovi prozori odgovaraju crtanoj izmjeni Lyman-alfa emisije iz galaksija s crvenim pomacima 4,8, 5,7, odnosno 6,6. Ovi brojevi pokazuju koliko je svemir manji u usporedbi s sadašnjim, a odgovaraju 1,26 milijardi godina, 1,01 milijardi godina i 840 milijuna godina nakon Velikog praska. To je poput provođenja arheologije ranog svemira s posebnim filterima koji omogućuju znanstvenicima da vide različite slojeve iskopa.
Da bi postigli svoje spektakularne nove rezultate, tim je morao razviti filter osjetljiv na svjetlost valne duljine samo oko 973 nanometara, što odgovara emisiji Lyman alfa pri crvenom pomaku od 7,0. Ova valna duljina je na granici modernih CCD-ova, koji gube osjetljivost na valnim duljinama većim od 1000 nanometara. Ovaj takav filtar, nazvan NB973, koristi višeslojnu tehnologiju nanošenja slojeva, a za razvoj im je bilo potrebno više od dvije godine. Ne samo da je filtar morao proći svjetlost valnih duljina samo oko 973 nanometara, već je morao ravnomjerno prekriti i cijelo vidno polje glavnih žarišta teleskopa. Tim je radio s tvrtkom Asahi Spectra Co.Ltd na dizajniranju prototipskog filtra koji bi se koristio sa Subaruovom fotoaparatom Slaba objekt i zatim primijenio to iskustvo na izradi filtra za Suprime-Cam.
Opažanja
Promatranja s filtrom NB973 obavljena su tijekom proljeća 2005. Nakon više od 15 sati izloženosti, dobiveni podaci dostigli su ograničenje od 24,9. Na ovoj je slici bilo 41.533 objekta, ali usporedba sa slikama snimljenim na drugim valnim duljinama pokazala je da su samo dva objekta svijetla samo na slici NB973. Tim je zaključio da samo ta dva objekta mogu biti galaksije u crvenom pomaku od 7,0. Sljedeći je korak bio potvrda identiteta dvaju objekata, IOK-1 i IOK-2, a tim ih je promatrao pomoću kamere slabog objekta i spektrografa (FOCAS) na teleskopu Subaru. Nakon 8,5 sati izlaganja, tim je uspio dobiti spektar emisione linije od svjetlijeg od dva objekta, IOK-1. Njegov spektar pokazao je asimetrični profil karakterističan za emisiju Lyman-alfa iz daleke galaksije. Emisijski vod usredotočen je na valnu duljinu od 968,2 nanometara (crveni pomak 6.964), što odgovara udaljenosti od 12,88 milijardi svjetlosnih godina i vremenu od 780 milijuna godina nakon Velikog praska.
Identitet galaksije drugog kandidata
Tri sata promatranja nisu dali konačne rezultate za određivanje prirode IOK-2. Od tada je istraživački tim dobio više podataka koji se sada analiziraju. Moguće je da je IOK-2 možda još jedna daleka galaksija ili bi mogao biti objekt s promjenjivom svjetlošću. Na primjer, galaksija s supernovom ili crnom rupom koja aktivno guta materijal koji se upravo dogodio svijetleći tijekom opažanja s filtrom NB973. (Promatranja u ostalim filtrima rađena su jednu do dvije godine ranije.)
Duboko polje Subaru
Teleskop Subaru posebno je prikladan za pretraživanje najudaljenijih galaksija. Od svih teleskopa od 8 do 10 metara na svijetu, jedini je koji ima mogućnost postavljanja kamere u glavnom fokusu. Glavni fokus, na vrhu cijevi teleskopa, daje prednost širokom vidnom polju. Kao rezultat toga, Subaru trenutno dominira popisom najudaljenijih poznatih galaksija. Mnoga od njih nalaze se u nebeskom području u smjeru zviježđa Coma Berenices nazvanog Subaru Duboko polje koje je istraživački tim odabrao za intenzivno proučavanje na mnogim valnim duljinama.
Rana povijest svemira i nastanak prvih galaksija
Da biste ovo Subaru ostvarenje stavili u kontekst, važno je pregledati što znamo o povijesti ranog svemira. Svemir je započeo Velikim praskom, koji se dogodio prije oko 13,66 milijardi godina u vatrenom kaosu ekstremnih temperatura i pritiska. U svoje prve tri minute, dječji se svemir brzo proširio i ohladio, proizvodeći jezgre lakih elemenata poput vodika i helija, ali vrlo malo jezgara težih elemenata. U 380.000 godina stvari su se ohladile na temperaturu od oko 3.000 stupnjeva. U tom bi se trenutku elektroni i protoni mogli kombinirati kako bi tvorili neutralni vodik.
S elektronima koji su sada vezani za atomska jezgra, svjetlost može putovati kroz svemir, a da ih elektroni ne raspršuju. Mi zapravo možemo otkriti svjetlost koja je tada prožimala svemir. Međutim, zbog vremena i udaljenosti, on se protegnuo za faktor 1.000, ispunjavajući svemir zračenjem koje detektiramo kao mikrovalne (nazvane pozadina kozmičke mikrovalne). Svemirska letjelica Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) proučavala je ovo zračenje, a njegovi su podaci omogućili astronomima da izračunaju dob svemira na oko 13,66 milijardi godina. Uz to, ovi podaci impliciraju postojanje takvih stvari kao što su tamna materija i još zagonetnija tamna energija.
Astronomi misle da se tijekom prvih nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska, svemir nastavio hladiti i da se prva generacija zvijezda i galaksija formirala u najgušćim područjima materije i tamne materije. To je razdoblje poznato kao "mračno doba" svemira. Još nema izravnih promatranja tih događaja, pa astronomi koriste računalne simulacije kako bi povezali teorijska predviđanja i postojeće promatračke dokaze kako bi razumjeli formiranje prvih zvijezda i galaksija.
Jednom kada se rode svijetle zvijezde, njihovo ultraljubičasto zračenje može ionizirati obližnje atome vodika dijeleći ih natrag u odvojene elektrone i protone. U nekom trenutku bilo je dovoljno svijetlih zvijezda koje bi ionizirale gotovo sav neutralni vodik u svemiru. Taj se proces naziva reonizacija svemira. Epoha rejonizacije signalizira kraj mračnog doba svemira. Danas je većina vodika u prostoru između galaksija ionizirana.
Utvrđivanje epohe reonizacije
Astronomi su procijenili da se reionizacija dogodila negdje između 290 do 910 milijuna godina nakon rođenja svemira. Utvrđivanje početka i kraja epohe reionizacije jedan je od važnih koraka za razumijevanje razvoja svemira i područje je intenzivnog proučavanja kozmologije i astrofizike.
Čini se da kako gledamo dalje u vrijeme, galaksije su sve rjeđe i rjeđe. Broj galaksija sa crvenim pomakom od 7.0 (što odgovara vremenu otprilike 780 milijuna godina nakon Velikog praska) čini se manjim od onoga što astronomi vide u crvenom pomaku od 6,6 (što odgovara vremenu oko 840 milijuna godina nakon Velikog praska) , Budući da je broj poznatih galaksija na crvenom pomaku od 7.0 još uvijek mali (samo jedan!), Teško je napraviti snažne statističke usporedbe. Međutim, moguće je da je smanjenje broja galaksija pri većem crvenom pomaku posljedica prisustva neutralnog vodika koji apsorbira emisiju Lyman-alfa iz galaksija na višem crvenom pomaku. Ako daljnja istraživanja mogu potvrditi da se brojna gustoća sličnih galaksija smanjuje između crvenog pomaka od 6,6 i 7,0, to bi moglo značiti da je IOK-1 postojao tijekom epohe reionizacije svemira.
Ti će rezultati biti objavljeni u izdanju Nature 14. rujna 2006.
Izvorni izvor: Subaru News Release
