Bildekreditt: ESO
Et team av astronomer med base på Hawaii har oppdaget en fjern galakse 12,8 milliarder lysår unna, som viser oss hvordan universet så ut da det bare var 900 millioner år gammelt. De fant galaksen ved å bruke et spesielt kamera installert på Canada-France-Hawaii-teleskopet som søker etter fjerne objekter i en veldig spesifikk lysfrekvens. Ved å avdekke denne galaksen, som ligger i stjernebildet Cetus, like i nærheten av stjernen Mira, har teamet utviklet en ny metodikk for å oppdage fjerne objekter som skal hjelpe fremtidige observatører å se enda lenger inn i fortiden.
Med forbedrede teleskoper og instrumenter har observasjoner av ekstremt fjerne og svake galakser blitt mulig som inntil nylig var astronomenes drømmer.
Et slikt objekt ble funnet av et team av astronomer [2] med et videfeltkamera installert ved Canada-France-Hawaii-teleskopet ved Mauna Kea (Hawaii, USA) under et søk etter ekstremt fjerne galakser. Betegnet “z6VDF J022803-041618”, ble det oppdaget på grunn av sin uvanlige farge, og var bare synlig på bilder oppnådd gjennom et spesielt optisk filter som isolerer lys i et smalt nærinfrarødt bånd.
Et oppfølgingsspektrum av dette objektet med multimodusinstrumentet FORS2 ved ESO Very Large Telescope (VLT) bekreftet at det er en veldig fjern galakse (rødskiftet er 6.17 [3]). Det blir sett på som det var da universet bare var rundt 900 millioner år gammelt.
z6VDF J022803-041618 er en av de fjerneste galakser som det til nå er spektre for. Interessant nok ble det oppdaget på grunn av lyset som sendes ut av de massive stjernene og ikke, som opprinnelig forventet, fra utslipp av hydrogengass.
En kort historie om det tidlige universet
De fleste forskere er enige om at universet kom fra en varm og ekstremt tett starttilstand i en Big Bang. De siste observasjonene indikerer at denne viktige hendelsen fant sted for rundt 13 700 millioner år siden.
I løpet av de første minuttene ble enorme mengder hydrogen og heliumkjerner produsert med protoner og nøytroner. Det var også mange gratis elektroner, og i løpet av den følgende epoken ble de mange fotonene spredt fra disse og atomkjernene. På dette stadiet var universet helt ugjennomsiktig.
Etter rundt 100 000 år hadde universet avkjølt seg til noen tusen grader, og kjernene og elektronene ble nå kombinert for å danne atomer. Fotonene ble da ikke lenger spredt fra disse, og universet ble plutselig gjennomsiktig. Kosmologer omtaler dette øyeblikket som "rekombinasjonsepoken". Mikrobølgebakgrunnen strålingen vi nå observerer fra alle retninger, skildrer tilstanden med stor ensartethet i universet på den fjerne epoken.
I den neste fasen beveget de urbane atomene - mer enn 99% av disse var hydrogen og helium - sammen og begynte å danne enorme skyer som stjerner og galakser senere dukket opp fra. Den første generasjonen stjerner og, noe senere, de første galakser og kvasarer [4], produserte intensiv ultrafiolett stråling. Den strålingen reiste imidlertid ikke så langt til tross for at universet hadde blitt gjennomsiktig for lenge siden. Dette er fordi de ultrafiolette (korte bølgelengde) fotonene umiddelbart ville bli absorbert av hydrogenatomene, og "slått" elektroner av disse atomene, mens fotoner med lengre bølgelengde kan reise mye lenger. Den intergalaktiske gassen ble således igjen ionisert i stadig voksende sfærer rundt de ioniserende kildene.
På et øyeblikk hadde disse kulene blitt så store at de overlappet fullstendig; dette blir referert til som "epoken om re-ionisering". Inntil da ble den ultrafiolette strålingen absorbert av atomene, men universet ble nå også gjennomsiktig for denne strålingen. Før kunne det ultrafiolette lyset fra de første stjernene og galakser ikke sees over store avstander, men nå så universet plutselig ut til å være fullt av lyse objekter. Det er av denne grunnen at tidsintervallet mellom epokene om "rekombinasjon" og "re-ionisering" blir referert til som "mørke aldre".
Når var slutten på "Dark Ages"?
Den nøyaktige epoken med reionisering er gjenstand for aktiv debatt blant astronomer, men nylige resultater fra observasjoner fra bakken og rom indikerer at ”mørke aldre” varte noen hundre millioner millioner år. Ulike forskningsprogrammer er nå i gang som prøver å finne bedre ut når disse tidlige hendelsene skjedde. For dette er det nødvendig å finne og studere i detalj de tidligste og dermed fjerneste objektene i universet - og dette er en veldig krevende observasjonsbestemmelse.
Lys dimmes av kvadratet på avstanden og jo lenger vi ser ut i rommet for å observere en gjenstand - og jo lenger tilbake i tid vi ser den - desto svakere ser den ut. Samtidig blir det svake lyset forskjøvet mot det røde området i spekteret på grunn av universets utvidelse - jo større avstand, desto større er den observerte rødskiftet [3].
Lyman-alfa-utslippslinjen
Med bakkebaserte teleskoper oppnås de svakeste deteksjonsgrensene ved observasjoner i den synlige delen av spekteret. Deteksjonen av veldig fjerne gjenstander krever derfor observasjoner av ultrafiolette spektrale signaturer som er blitt forskjøvet til det synlige området. Normalt bruker astronomene for denne rødskiftede Lyman-alpha-spektrale utslippslinjen med hvilebølgelengde 121.6 nm; det tilsvarer fotoner som avgis av hydrogenatomer når de skifter fra en begeistret tilstand til sin grunnleggende tilstand.
En åpenbar måte å søke etter de fjerneste galakene er derfor å søke etter Lyman-alfa-utslipp på de rødeste (lengste) mulige bølgelengdene. Jo lengre bølgelengde for den observerte Lyman-alpha-linjen er, jo større er rødskiftet og avstanden, og desto tidligere er epoken der vi ser galaksen, og jo nærmere vi kommer mot det øyeblikket som markerte slutten på "Dark Ages" ”.
CCD-detektorer som brukes i astronomiske instrumenter (så vel som i kommersielle digitale kameraer) er følsomme for lys med bølgelengder opp til ca. 1000 nm (1? M), dvs. i det veldig nær-infrarøde spektrale området, utover det rødeste lyset som kan bli oppfattet av det menneskelige øye på omtrent 700-750 nm.
Den lyse nærinfrarøde nattehimmelen
Det er imidlertid et annet problem for denne typen arbeid. Letingen etter svak Lyman-alfa-utslipp fra fjerne galakser kompliseres av det faktum at den bakkestemning - som alle bakkebaserte teleskoper må se ut - også avgir lys. Dette er særlig tilfelle i den røde og nærinfrarøde delen av spekteret der hundrevis av diskrete utslippslinjer stammer fra hydroksylmolekylet (OH-radikalet) som er til stede i den øvre bakkenatmosfæren i en høyde av omtrent 80 km (se PR Photo 13a / 03).
Dette sterke utslippet som astronomene omtaler som ”himmelbakgrunnen”, er ansvarlig for svakhetsgrensen som himmelobjekter kan oppdages med bakkebaserte teleskoper ved nesten infrarøde bølgelengder. Imidlertid er det heldigvis spektrale intervaller med "lav OH-bakgrunn" der disse utslippslinjene er mye svakere, og dermed tillater en svakere deteksjonsgrense fra observasjoner på bakken. To slike "mørke himmelvinduer" er tydelige i PR Photo 13a / 03 nær bølgelengder på 820 og 920 nm.
Tatt i betraktning disse aspektene, er en lovende måte å søke effektivt etter de fjerneste galaksene derfor å observere ved bølgelengder nær 920 nm ved hjelp av et smalbånd optisk filter. Tilpasning av spektralbredden til dette filteret til omtrent 10 nm gjør det mulig å oppdage så mye lys fra himmelobjektene som mulig når det sendes ut i en spektral linje som matcher filteret, samtidig som den ugunstige påvirkningen av himmelutslippet minimeres.
Med andre ord, med et maksimalt lys samlet inn fra fjerne objekter og et minimum av forstyrrende lys fra den jordiske atmosfæren, er sjansene for å oppdage de fjerne objektene optimale. Astronomene snakker om å "maksimere kontrasten" til objekter som viser utslippslinjer på denne bølgelengden.
CFHT-søkeprogrammet
Basert på de ovennevnte betraktningene, installerte et internasjonalt team av astronomer [2] et smalbånd optisk filter sentrert ved den nærinfrarøde bølgelengden 920 nm på CFH12K-instrumentet ved Canada-France-Hawaii teleskopet på Mauna Kea (Hawaii, USA) å søke etter ekstremt fjerne galakser. CFH12K er et bredt feltkamera brukt i hovedfokus for CFHT, og gir et synsfelt på ca. 30 x 40 arkmin2, noe større enn fullmåne [5].
Ved å sammenligne bilder av det samme himmelfeltet tatt gjennom forskjellige filtre, var astronomene i stand til å identifisere objekter som vises relativt "lyse" i NB920-bildet og "besvime" (eller til og med ikke er synlige) i de tilsvarende bildene oppnådd gjennom de andre filtrene . Et slående eksempel er vist i PR Photo 13b / 03 - objektet i midten er godt synlig i 920nm-bildet, men ikke i det hele tatt i de andre bildene.
Den mest sannsynlige forklaringen på et objekt med en så uvanlig farge er at det er en veldig fjern galakse som den observerte bølgelengden til den sterke utslippslinjen fra Lyman-alpha er nær 920 nm på grunn av rødskiftet. Alt lys som sendes ut av galaksen med en bølgelengde som er kortere enn Lyman-alpha, blir sterkt absorbert av mellomliggende interstellar og intergalaktisk hydrogengass; dette er grunnen til at objektet ikke er synlig i alle de andre filtrene.
VLT-spekteret
For å lære den sanne naturen til dette objektet, er det nødvendig å utføre en spektroskopisk oppfølging ved å observere spekteret. Dette ble oppnådd med FORS 2 multimodusinstrumentet på 8,2 m VLT YEPUN-teleskopet ved ESO Paranal Observatory. Dette anlegget gir en perfekt kombinasjon av moderat spektral oppløsning og høy følsomhet i rødt for denne typen veldig krevende observasjoner. Det resulterende (svake) spekteret er vist i PR Photo 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 viser en sporing av det endelige (“rensede”) spekteret til objektet etter ekstraksjon fra bildet vist i PR Photo 13c / 03. Én bred utslippslinje blir tydelig oppdaget (til venstre for midten; forstørret i innsatsen). Den er asymmetrisk og blir deprimert på sin blå (venstre) side. Dette, kombinert med det faktum at det ikke blir oppdaget noe kontinuumlys til venstre for linjen, er en tydelig spektral signatur av Lyman-alpha-linjen: fotoner “blåere” enn Lyman-alpha blir sterkt absorbert av gassen til stede i selve galaksen. , og i det intergalaktiske mediet langs siktlinjen mellom jorden og gjenstanden.
De spektroskopiske observasjonene la derfor astronomene til å identifisere entydig denne linjen som Lyman-alpha, og derfor bekrefte den store avstanden (høy rødforskyvning) til dette bestemte objektet. Den målte rødskiftet er 6.17, noe som gjør dette objektet til en av de fjerneste galakene som noen gang er oppdaget. Den fikk betegnelsen “z6VDF J022803-041618” - den første delen av dette noe uhåndterlige navnet viser til undersøkelsen og den andre indikerer plasseringen av denne galaksen på himmelen.
Starlight i det tidlige universet
Imidlertid kom disse observasjonene ikke uten overraskelse! Astronomene hadde håpet (og forventet) å oppdage Lyman-alpha-linjen fra gjenstanden i sentrum av det spektrale vinduet 920 nm. Mens Lyman-alpha-linjen ble funnet, var den imidlertid plassert på en noe kortere bølgelengde.
Dermed var det ikke Lyman-alpha-utslippet som fikk denne galaksen til å være "lys" i det smale båndet (NB920), men "kontinuum" -utslipp ved bølgelengder lenger enn Lyman-alpha. Denne strålingen er veldig svakt synlig som en horisontal, diffus linje i PR Photo 13c / 03.
En konsekvens er at den målte rødskiftet på 6,17 er lavere enn den opprinnelig forutsagte rødskiftet på rundt 6,5. En annen er at z6VDF J022803-041618 ble oppdaget av lys fra dens massive stjerner (“kontinuumet”) og ikke av utslipp fra hydrogengass (Lyman-alpha-linjen).
Denne interessante konklusjonen er av spesiell interesse, siden den viser at det i prinsippet er mulig å oppdage galakser på denne enorme avstanden uten å måtte stole på Lyman-alpha-utslippslinjen, som kanskje ikke alltid er til stede i spektrene til de fjerne galaksenes. Dette vil gi astronomene et mer fullstendig bilde av galaksebestanden i det tidlige universet.
Videre vil observasjon av flere og flere av disse fjerne galakene bidra til å bedre forstå ioniseringstilstanden til universet i denne alderen: det ultrafiolette lyset som sendes ut av disse galaksene, skulle ikke nå oss i et "nøytralt" univers, dvs. før re-ionisering skjedde . Jakten på flere slike galakser er nå i ferd med å klargjøre hvordan overgangen fra mørke aldre skjedde!
Originalkilde: ESO News Release
