Det kraftige Subaru-teleskopet på Hawai’i har funnet den fjerneste galaksen som noen gang er sett, som ligger 12,88 milliarder lysår unna - dette er bare 780 millioner år etter Big Bang. Det er ekstremt vanskelig å observere gjenstander så fjernt, ikke bare på grunn av de store avstandene som er involvert, men fordi store deler av universet ble skjult bak nøytralt hydrogen. Stjerner begynte først å rydde ut dette nøytrale hydrogenet, noe som gjorde universet gjennomsiktig.
Astronomer som bruker Subaru-teleskopet på Hawai’i har sett 60 millioner år lenger tilbake i tid enn noen andre astronomer, for å finne den mest kjente galaksen i universet. På denne måten holder de opp til Subarus rekord for å finne de fjerneste og tidligste galaksene som er kjent. Deres siste oppdagelse er av en galakse kalt I0K-1 som ligger så langt unna at astronomer ser den slik den så ut for 12,88 milliarder år siden.
Denne oppdagelsen, basert på observasjoner gjort av Masanori Iye fra National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), Kazuaki Ota fra University of Tokyo, Nobunari Kashikawa fra NAOJ, og andre indikerer at galakser eksisterte bare 780 millioner år etter at universet kom til eksistens for rundt 13,66 milliarder år siden som en varm suppe av elementære partikler.
For å oppdage lyset fra denne galaksen brukte astronomene Subaru-teleskopets Suprime-Cam-kamera utstyrt med et spesielt filter for å lete etter fjerntliggende galakser. De fant 41 533 objekter, og fra de identifiserte to kandidatgalakser for videre undersøkelse ved å bruke Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru. De fant ut at IOK-1, den lysere av de to, har en rødforskyvning på 6.964, og bekrefter sin avstand på 12,88 milliarder lysår.
Funnet utfordrer astronomer til å bestemme nøyaktig hva som skjedde mellom 780 og 840 millioner år etter Big Bang. IOK-1 er en av bare to galakser i den nye studien som kan tilhøre denne fjerne epoken. Gitt antallet galakser som er oppdaget fra 840 millioner år etter Big Bang, hadde forskerteamet forventet å finne så mange som seks galakser på denne avstanden. Den komparative sjeldenheten til objekter som IOK-1 betyr at universet må ha endret seg i løpet av de 60 millioner årene som skiller de to epokene.
Den mest spennende tolkningen av hva som skjedde er at vi ser en begivenhet kjent for astronomer som reionisering av universet. I dette tilfellet, 780 millioner år etter Big Bang, hadde universet fortsatt nok nøytralt hydrogen til å blokkere vårt syn på unge galakser ved å absorbere lyset som ble produsert av deres varme unge stjerner. Seksti millioner år senere var det nok varme unge stjerner til å ionisere det gjenværende nøytrale hydrogenet, noe som gjorde universet gjennomsiktig og lot oss se stjernene deres.
En annen tolkning av resultatene sier at det var færre store og lyse unge galakser 780 millioner år etter Big Bang enn 60 millioner år senere. I dette tilfellet ville mesteparten av reoniseringen skjedd tidligere enn for 12,88 milliarder år siden.
Uansett hvilken tolkning som til slutt råder, signaliserer oppdagelsen at astronomer nå graver ut lys fra universets ”mørke alder”. Dette er epoken da de første generasjonene av stjerner og galakser oppstod, og en epoke som astronomene ikke har kunnet observere før nå.
BAKGRUNNSINFORMASJON:
Arkeologi fra det tidlige universet ved bruk av spesielle filtre
Nyfødte galakser inneholder stjerner med et bredt spekter av masser. Tyngre stjerner har høyere temperaturer, og avgir ultrafiolett stråling som varmer og ioniserer nærliggende gass. Når gassen avkjøles, stråler den bort overflødig energi slik at den kan komme tilbake til en nøytral tilstand. I denne prosessen vil hydrogen alltid avgi lys ved 121.6 nanometer, kalt Lyman-alpha-linjen. Enhver galakse med mange varme stjerner skal skinne lyst på denne bølgelengden. Hvis stjerner dannes på en gang, kan de lyseste stjernene produsere Lyman-alpha-utslipp i 10 til 100 millioner år.
For å studere galakser som IOK-1 som eksisterer i tidlige tider i universet, må astronomer søke ut Lyman-alfa-lys som er strukket og rødskiftet til lengre bølgelengder etter hvert som universet utvidet seg. På bølgelengder som er lengre enn 700 nanometer, må astronomer imidlertid takle forgrunnen utslipp fra OH-molekyler i jordens egen atmosfære som forstyrrer svake utslipp fra fjerne objekter.
For å oppdage det svake lyset fra fjerne galakser, hadde forskerteamet observert i bølgelengder der jordens atmosfære ikke gløder mye, gjennom vinduer på 711, 816 og 921 nanometer. Disse vinduene tilsvarer det rødskiftede Lyman-alpha-utslippet fra galakser med rødforskyvninger på henholdsvis 4,8, 5,7 og 6,6. Disse tallene indikerer hvor mye mindre universet ble sammenlignet med nå, og tilsvarer 1,26 milliarder år, 1,01 milliarder år og 840 millioner år etter Big Bang. Dette er som å gjøre arkeologi fra det tidlige universet med spesielle filtre som lar forskere se inn i forskjellige lag i en utgraving.
For å oppnå sine spektakulære nye resultater, måtte teamet utvikle et filter som var følsomt for lys med bølgelengder bare rundt 973 nanometer, noe som tilsvarer Lyman alfa-utslipp på en rødforskyvning på 7,0. Denne bølgelengden er på grensen for moderne CCD-er, som mister følsomheten ved bølgelengder lenger enn 1000 nanometer. Dette et av sitt slag filter, kalt NB973, bruker flerlags belegg teknologi og tok mer enn to år å utvikle. Ikke bare måtte filteret passere lys med bølgelengder bare rundt 973 nanometer, men det måtte også dekke jevnt over hele synsfeltet til teleskopets hovedfokus. Teamet jobbet med et selskap, Asahi Spectra Co.Ltd, for å designe et prototypefilter som skal brukes med Subaru's Faint Object Camera, og deretter benyttet den erfaringen til å lage filteret til Suprime-Cam.
Observasjonene
Observasjonene med NB973-filteret fant sted våren 2005. Etter mer enn 15 timers eksponeringstid nådde dataene som ble oppnådd en begrensende styrke på 24,9. Det var 41 533 objekter i dette bildet, men en sammenligning med bilder tatt med andre bølgelengder viste at bare to av objektene var lyse bare i NB973-bildet. Teamet konkluderte med at bare de to objektene kunne være galakser med en rødforskyvning på 7,0. Neste trinn var å bekrefte identiteten til de to objektene, IOK-1 og IOK-2, og teamet observerte dem med Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru-teleskopet. Etter 8,5 timers eksponeringstid kunne teamet skaffe et spekter av en utslippslinje fra den lysere av de to objektene, IOK-1. Spekteret viste en asymmetrisk profil som er karakteristisk for Lyman-alfa-utslipp fra en fjern galakse. Utslippslinjen var sentrert på en bølgelengde på 968,2 nanometer (rødforskyvning 6,964), tilsvarende en avstand på 12,88 milliarder lysår og tid på 780 millioner år etter Big Bang.
Identiteten til den andre kandidatgalaksen
Tre timers observasjonstid ga ingen konkrete resultater for å bestemme arten av IOK-2. Forskerteamet har siden innhentet mer data som nå analyseres. Det er mulig at IOK-2 kan være en annen fjern galakse, eller det kan være et objekt med variabel lysstyrke. For eksempel en galakse med en supernova eller et svart hull som svelger aktivt materiale som bare tilfeldigvis virket lyst under observasjonene med NB973-filteret. (Observasjoner i de andre filtrene ble gjort ett til to år tidligere.)
Subaru Deep Field
Subaru-teleskopet er spesielt godt egnet for leting etter de fjerneste galaksene. Av alle de 8- til 10 meter lange teleskopene i verden er det den eneste som har muligheten til å montere et kamera med hovedfokus. Det viktigste fokuset, øverst på teleskoprøret, har fordelen med et bredt synsfelt. Som et resultat dominerer Subaru for tiden listen over de mest kjente galaksene. Mange av disse befinner seg i et område på himmelen i retning av stjernebildet Coma Berenices kalt Subaru Deep Field som forskerteamet valgte for intens studie på mange bølgelengder.
Universets tidlige historie og dannelsen av de første galakser
For å sette denne Subaru-bragden i en sammenheng, er det viktig å gjennomgå det vi vet om historien til det tidlige universet. Universet begynte med Big Bang, som skjedde for rundt 13,66 milliarder år siden i et brennende kaos av ekstrem temperatur og trykk. I løpet av de første tre minuttene utvidet og avkjølte spedbarnsuniverset, og produserte kjerner fra lette elementer som hydrogen og helium, men svært få kjerner med tyngre elementer. I løpet av 380 000 år hadde ting avkjølt seg til en temperatur på rundt 3000 grader. På det tidspunktet kunne elektroner og protoner kombineres for å danne nøytralt hydrogen.
Med elektroner som nå er bundet til atomkjerner, kunne lys reise gjennom rommet uten å bli spredt av elektroner. Vi kan faktisk oppdage lyset som gjennomsyret universet den gang. På grunn av tid og avstand har den imidlertid blitt strukket med en faktor 1000, og fylt universet med stråling vi oppdager som mikrobølger (kalt den kosmiske mikrobølgebakgrunnen). Wilkinson mikrobølgeovn anisotropy Probe (WMAP) romfartøy studerte denne strålingen, og dataene ga astronomer mulighet til å beregne universets alder på omtrent 13,66 milliarder år. I tillegg innebærer disse dataene eksistensen av slike ting som mørk materie og den enda mer gåtefulle mørke energien.
Astronomer tror at i løpet av de første hundre millioner årene etter Big Bang fortsatte universet å kjøle seg, og at den første generasjonen stjerner og galakser dannet seg i de tetteste områdene av materie og mørk materie. Denne perioden er kjent som ”Dark Ages” av universet. Det er ingen direkte observasjoner av disse hendelsene ennå, så astronomer bruker datasimuleringer for å binde sammen teoretiske prediksjoner og eksisterende observasjonsbevis for å forstå dannelsen av de første stjerner og galakser.
Når lyse stjerner er født, kan deres ultrafiolette stråling ionisere nærliggende hydrogenatomer ved å dele dem tilbake i separate elektroner og protoner. På et tidspunkt var det nok lyse stjerner til å ionisere nesten alt det nøytrale hydrogenet i universet. Denne prosessen kalles reionisering av universet. Reoniseringens epoke signaliserer slutten på universets mørke aldre. I dag blir det meste av hydrogenet i rommet mellom galakser ionisert.
Å kartlegge epoken om reionisering
Astronomer har estimert at reionisering skjedde en gang mellom 290 til 910 millioner år etter universets fødsel. Å peke på begynnelsen og slutten av reoniseringsepoken er en av de viktige springbrettene for å forstå hvordan universet utvikler seg, og er et område med intens studie i kosmologi og astrofysikk.
Det ser ut til at når vi ser lenger tilbake i tid, blir galakser sjeldnere og sjeldnere. Antallet galakser med en rødskift på 7,0 (som tilsvarer en tid omtrent 780 millioner år etter Big Bang) virker mindre enn hva astronomene ser ved en rødskift på 6,6 (som tilsvarer en tid omtrent 840 millioner år etter Big Bang) . Siden antallet kjente galakser med en rødforskyvning på 7,0 fremdeles er lite (bare ett!), Er det vanskelig å gjøre robuste statistiske sammenligninger. Imidlertid er det mulig at nedgangen i antall galakser ved høyere rødskift skyldes tilstedeværelsen av nøytralt hydrogen som absorberer Lyman-alfa-utslippet fra galakser ved høyere rødskift. Hvis videre forskning kan bekrefte at antallet tetthet av lignende galakser synker mellom en rødforskyvning på 6,6 og 7,0, kan det bety at IOK-1 eksisterte under epoken til universets reionisering.
Disse resultatene vil bli publisert i utgaven av Nature 14. september 2006.
Opprinnelig kilde: Subaru News Release
