Voimakas Subarun kaukoputki Havaijista on löytänyt kaikkein koskaan nähneen galaksin, joka sijaitsee 12,88 miljardin valovuoden päässä - tämä on vain 780 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen. Objektien havaitseminen tällä kaukaisella alueella on erittäin vaikeaa, ei vain johtuvien suurten etäisyyksien vuoksi, vaan myös siitä syystä, että suuri osa maailmankaikkeudesta oli peitetty neutraalin vedyn takana. Tähtien vasta alkoi puhdistaa tämä neutraali vety, mikä teki maailmankaikkeudesta läpinäkyvän.
Havajaisissa Subarun kaukoputkea käyttävät tähtitieteilijät ovat katsoneet 60 miljoonaa vuotta taaksepäin aikaisemmin kuin mikään muu tähtitieteilijä löytääkseen maailmankaikkeuden kauimmin tunnetun galaksin. Näin toimiessaan he yllättävät Subarun ennätysten löytämistä kaikkein kaikkein tunnetuimmista galaksista. Heidän viimeisin löytönsä on I0K-1-niminen galaksi, joka sijaitsee niin kaukana, että tähtitieteilijät näkevät sen sellaisena kuin se näytti 12,88 miljardia vuotta sitten.
Tämä löytö, joka perustuu Japanin kansallisen tähtitieteellisen observatorion (NAOJ) Masanori Iye: n, Tokion yliopiston Kazuaki Ota: n, NAOJ: n Nobunari Kashikawan ja muiden havaintoihin, osoittaa, että galaksit olivat olemassa vasta 780 miljoonan vuoden kuluttua maailmankaikkeuden syntymisestä. noin 13,66 miljardia vuotta sitten kuumana keittoena alkuainehiukkasista.
Tästä galaksista tulevan valon havaitsemiseksi tähtitieteilijät käyttivät Subaru-kaukoputken Suprime-Cam-kameraa, joka oli varustettu erityisellä suodattimella etsimään ehdokasta kaukaisia galakseja. He löysivät 41 533 esinettä, ja niistä löydettiin kaksi ehdokasgalaksia jatkotutkimuksia varten käyttämällä Subarun Faint Object Camera- ja Spectrograph-tekniikkaa (FOCAS). He havaitsivat, että kahden kirkkaamman IOK-1: n punasiirtymä on 6.964, mikä vahvistaa sen 12,88 miljardin valovuoden etäisyyden.
Löytö haastaa tähtitieteilijät määrittämään tarkalleen, mitä tapahtui 780–840 miljoonan vuoden kuluttua Ison räjähdyksen jälkeen. IOK-1 on yksi vain kahdesta uuden tutkimuksen galakseista, jotka voisivat kuulua tähän kaukaiseen aikakauteen. Kun otetaan huomioon galaksien lukumäärä, joka on löydetty 840 miljoonasta vuodesta Ison räjähdyksen jälkeen, tutkimusryhmä oli odottanut löytävänsä jopa kuusi galaksia tällä etäisyydellä. IOK-1: n kaltaisten esineiden suhteellinen harvinaisuus tarkoittaa, että maailmankaikkeuden on täytynyt muuttua 60 miljoonan vuoden aikana, jotka erottavat kaksi aikakautta.
Mielenkiintoisin tulkinta tapahtuneesta on se, että näemme tähtitieteilijöiden tunteman tapahtuman maailmankaikkeuden uudelleenjärjestelynä. Tässä tapauksessa, 780 miljoonaa vuotta suuren räjähdyksen jälkeen, maailmankaikkeudessa oli silti tarpeeksi neutraalia vetyä estämään näkemyksemme nuorista galakseista absorboimalla niiden kuumien nuorten tähtien tuottamaa valoa. Kuusikymmentä miljoonaa vuotta myöhemmin oli tarpeeksi kuumia nuoria tähtiä jäljellä olevan neutraalin vedyn ionisoimiseksi, mikä teki maailmankaikkeudesta läpinäkyvän ja antaa meille mahdollisuuden nähdä niiden tähdet.
Tulosten toisessa tulkinnassa sanotaan, että suuria ja kirkkaita nuoria galakseja oli vähemmän kuin 780 miljoonaa vuotta suuren räjähdyksen jälkeen kuin 60 miljoonaa vuotta myöhemmin. Tässä tapauksessa suurin osa reionisoitumisesta olisi tapahtunut aikaisemmin kuin 12,88 miljardia vuotta sitten.
Riippumatta siitä, mikä tulkinta lopulta vallitsee, löytö merkitsee, että tähtitieteilijät kaivaavat nyt valoa maailmankaikkeuden ”pimeistä aikakausista”. Tämä on aikakausi, jolloin syntyivät ensimmäiset tähdet ja galaksit, ja aikakausi, jota tähtitieteilijät eivät ole pystyneet havaitsemaan toistaiseksi.
TAUSTATIETO:
Varhaisen maailmankaikkeuden arkeologia erikoissuodattimilla
Vastasyntyneet galaksit sisältävät tähtiä, joilla on laaja massa. Raskaammilla tähtiillä on korkeammat lämpötilat, ja ne lähettävät ultraviolettisäteilyä, joka lämmittää ja ionisoi lähellä olevaa kaasua. Kun kaasu jäähtyy, se säteilee ylimääräistä energiaa niin, että se voi palata neutraalitilaan. Tässä prosessissa vety säteilee aina valoa 121,6 nanometrillä, nimeltään Lyman-alfa-viiva. Kaikkien galaktien, joissa on paljon kuumia tähtiä, pitäisi loistaa kirkkaasti tällä aallonpituudella. Jos tähdet muodostuvat kaikki kerralla, kirkkaimmat tähdet voisivat tuottaa Lyman-alfa-päästöjä 10–100 miljoonan vuoden ajan.
Jotta tutkittaisiin IOK-1: n kaltaisia galakseja, joita esiintyy varhaisina maailmankaikkeuksissa, tähtitieteilijöiden on etsittävä Lyman-alfa-valoa, joka on venytetty ja punaisesti siirretty pidemmälle aallonpituudelle maailmankaikkeuden laajentuessa. Kuitenkin yli 700 nanometrin aallonpituuksilla tähtitieteilijöiden on käsiteltävä maapallon omassa ilmakehässä esiintyviä OH-molekyylien päästöjä, jotka häiritsevät kaukana olevien esineiden heikkoja päästöjä.
Tutkijaryhmä oli havainnut kaukaisten galaksien heikkon valon havaitsemisen aallonpituuksilla, joissa maan ilmakehä ei hehku paljoa, ikkunoiden läpi 711, 816 ja 921 nanometrissä. Nämä ikkunat vastaavat punaisesti siirrettyä Lyman-alfa-päästöä galakseista punaisen siirtymän ollessa vastaavasti 4,8, 5,7 ja 6,6. Nämä luvut osoittavat, kuinka paljon pienempää maailmankaikkeutta verrattiin nykyiseen, ja ne vastaavat 1,26 miljardia vuotta, 1,01 miljardia vuotta ja 840 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen. Tämä on kuin varhaisen maailmankaikkeuden arkeologian tekeminen tietyillä suodattimilla, joiden avulla tutkijat voivat nähdä kaivauksen eri kerroksia.
Näyttävien uusien tulosten saamiseksi joukkueen oli kehitettävä valolle herkkä suodatin, jonka aallonpituudet olivat vain noin 973 nanometriä, mikä vastaa Lymanin alfa-säteilyä punaisen siirtymän ollessa 7,0. Tämä aallonpituus on nykyaikaisten CCD-laitteiden rajalla, koska ne menettävät herkkyyden yli 1000 nanometrin aallonpituuksilla. Tämä laatuaan oleva suodatin, nimeltään NB973, käyttää monikerroksista pinnoitetekniikkaa, ja sen kehittäminen kesti yli kaksi vuotta. Sen lisäksi, että suodattimen piti läpäistä valoa vain aallonpituuksilla vain noin 973 nanometriä, sen oli myös katettava tasaisesti koko kaukoputken näkökenttä. Ryhmä työskenteli yrityksen, Asahi Spectra Co.Ltd: n, kanssa prototyyppisuodattimen suunnittelussa käytettäväksi Subarun Faint Object Camera -kameran kanssa ja käytti sitten kokemusta Suprime-Cam-suodattimen valmistukseen.
Havainnot
Havainnot NB973-suodattimella tapahtuivat kevään 2005 aikana. Yli 15 tunnin altistusajan jälkeen saadut tiedot saavuttivat raja-arvon 24,9. Tässä kuvassa oli 41 533 objektia, mutta vertailu muilla aallonpituuksilla otettuihin kuviin osoitti, että vain kaksi objektista oli kirkkaita vain NB973-kuvassa. Ryhmä päätteli, että vain nämä kaksi esinettä voivat olla galakseja punaisen siirtymän 7,0 kohdalla. Seuraava vaihe oli vahvistaa kahden esineen, IOK-1 ja IOK-2, identiteetti ja ryhmä tarkkaili niitä Subaru-kaukoputken Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) -laitteella. 8,5 tunnin altistusajan jälkeen joukkue pystyi saamaan päästöjohtospektrin kahden esineen vaaleammasta, IOK-1. Sen spektri osoitti epäsymmetrisen profiilin, joka on ominaista Lyman-alfa-säteilylle kaukaisesta galaksista. Päästöjohto oli keskitetty 968,2 nanometrin aallonpituuteen (punasiirtymä 6.964), mikä vastaa 12,88 miljardin valovuoden etäisyyttä ja 780 miljoonan vuoden aikaa 710 miljoonan vuoden päässä Suuresta räjähdyksestä.
Toisen ehdokasgalaktian identiteetti
Kolme tuntia havaintoaikaa ei antanut mitään vakuuttavia tuloksia IOK-2: n luonteen määrittämiseksi. Tutkimusryhmä on sittemmin saanut lisää tietoa, jota nyt analysoidaan. On mahdollista, että IOK-2 voi olla toinen kaukainen galaksi tai se voi olla objekti, jonka kirkkaus vaihtelee. Esimerkiksi galaksi, jossa on supernova tai musta reikä, joka nielee aktiivisesti materiaalia, joka sattui näyttämään kirkkaalta NB973-suodattimen havaintojen aikana. (Havainnot muissa suodattimissa tehtiin yksi tai kaksi vuotta aikaisemmin.)
Subarun syväkenttä
Subaru-kaukoputki sopii erityisen hyvin kaikkein kaukaisimpien galaksien etsimiseen. Kaikista 8–10 metrin luokan teleskoopeista maailmassa se on ainoa, jolla on mahdollisuus asentaa kamera ensisijaiseen tarkennukseen. Ensisijaisella tarkennuksella, teleskooppiputken yläosassa, on etuna laaja näkökenttä. Seurauksena on, että Subaru hallitsee tällä hetkellä kaukaisimpien tunnettujen galaksien luetteloa. Monet näistä sijaitsevat taivaan alueella Coma Berenices -konstellaation suuntaan, nimeltään Subaru Deep Field, jonka tutkimusryhmä valitsi intensiiviseen tutkimukseen monilla aallonpituuksilla.
Universumin varhainen historia ja ensimmäisten galaksien muodostuminen
Tämän Subarun saavutuksen saattamiseksi kontekstiin on tärkeää tarkastella sitä, mitä tiedämme varhaisen maailmankaikkeuden historiasta. Universumi sai alkunsa suuresta räjähdyksestä, joka tapahtui noin 13,66 miljardia vuotta sitten tulisen kaaoksen aikana äärimmäisissä lämpötiloissa ja paineissa. Ensimmäisten kolmen minuutin kuluessa vastasyntyneiden maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nopeasti tuottaen kevyiden elementtien, kuten vedyn ja heliumin, ytimiä, mutta hyvin harvoja raskaampien elementtien ytimiä. 380 000 vuodessa asiat olivat jäähtyneet noin 3000 asteen lämpötilaan. Siinä vaiheessa elektronit ja protonit voisivat yhdistyä neutraaliksi vedyksi.
Kun elektronit ovat nyt sitoutuneet atomiytimiin, valo voisi kulkea avaruuden läpi ilman, että elektronit olisivat niiden sironneet. Voimme tosiasiallisesti havaita valon, joka tunsi tuolloin maailmankaikkeutta. Ajan ja etäisyyden vuoksi sitä on kuitenkin venytetty kertoimella 1000, ja se täyttää maailmankaikkeuden säteilyllä, jonka havaitsemme mikroaaltona (nimeltään kosminen mikroaaltotausta). Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -avaruusalus tutki tätä säteilyä ja sen tietojen perusteella tähtitieteilijät saivat laskea maailmankaikkeuden iän noin 13,66 miljardissa vuodessa. Lisäksi nämä tiedot viittaavat sellaisten asioiden olemassaoloon kuin tumma aine ja vielä salaperäisempi tumma energia.
Astronomit ajattelevat, että muutaman sadan miljoonan vuoden aikana Ison räjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus jatkoi jäähtymistä ja että ensimmäisen sukupolven tähtiä ja galakseja muodostui aineen ja pimeän aineen tiheimmillä alueilla. Tätä ajanjaksoa kutsutaan maailmankaikkeuden "pimeiksi aikakausiksi". Näistä tapahtumista ei ole vielä suoria havaintoja, joten tähtitieteilijät käyttävät tietokonesimulaatioita teoreettisten ennusteiden ja olemassa olevan havainnollisen näytön yhdistämiseksi ymmärtääkseen ensimmäisten tähtijen ja galaksien muodostumisen.
Kun kirkkaat tähdet ovat syntyneet, niiden ultravioletti säteily voi ionisoida lähellä olevia vetyatomeja jakamalla ne takaisin erillisiin elektroneihin ja protoneihin. Jossain vaiheessa oli tarpeeksi kirkkaita tähtiä ionisoimaan melkein kaikki maailmankaikkeuden neutraalivety. Tätä prosessia kutsutaan maailmankaikkeuden uudelleensuuntaamiseksi. Reionisaation aikakausi merkitsee maailmankaikkeuden pimeiden aikojen loppua. Nykyään suurin osa vetystä galaksien välisessä tilassa on ionisoitunut.
Uudelleentämisen ajankohdan määrittäminen
Astronomit ovat arvioineet, että uudelleenistuminen tapahtui joskus välillä 290–910 miljoonaa vuotta universumin syntymisen jälkeen. Uudelleenistumisen ajanjakson alun ja lopun osoittaminen on tärkeä askel kohti maailmankaikkeuden kehityksen ymmärtämistä, ja se on alue, jolla tutkitaan voimakkaasti kosmologiaa ja astrofysiikkaa.
Näyttää siltä, että kun katsomme kauemmas taaksepäin, galaksit muuttuvat yhä harvemmaksi. Niiden galaksien lukumäärä, joiden punasiirtymä on 7,0 (mikä vastaa ajanjaksoa noin 780 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen), näyttää olevan pienempi kuin mitä tähtitieteilijät näkevät punaisen siirtymän ollessa 6,6 (mikä vastaa aikaa, joka on noin 840 miljoonaa vuotta suuren räjähdyksen jälkeen). . Koska tunnettujen galaksien lukumäärä punaisen siirtymän 7,0 kohdalla on edelleen pieni (vain yksi!), On vaikeata tehdä kestäviä tilastollisia vertailuja. On kuitenkin mahdollista, että galaksien lukumäärän väheneminen suuremmalla punasiirtymällä johtuu neutraalin vedyn läsnäolosta, joka absorboi Lyman-alfa-päästöä galakseista suuremmalla punasiirtymällä. Jos lisätutkimus voi vahvistaa, että samanlaisten galaksien lukumäärän tiheys vähenee punaisen siirtymän välillä 6,6–7,0, se voi tarkoittaa, että IOK-1 oli olemassa maailmankaikkeuden uudelleenistumisen ajanjaksona.
Tulokset julkaistaan Nature-lehden 14. syyskuuta 2006 julkaisussa.
Alkuperäinen lähde: Subarun lehdistötiedote
