Lehdistötiedote

Maailmankaikkeuden ensimmäisen tähtisukupolven paras havaintoihin perustuva todistusaineisto

VLT-teleskooppi havaitsi kirkkainta etäistä galaksia CR7 ja merkkejä populaatio III:n tähdistä

17. kesäkuuta 2015

ESO:n VLT-teleskooppia käyttäneet tähtitieteilijät ovat löytäneet varhaisen maailmankaikkeuden toistaiseksi löydetyistä galakseista selvästi kirkkaimman ja löytäneet vahvaa todistusaineistoa siitä, että sen sisällä piilottelee esimerkkejä ensimmäisen sukupolven tähdistä. Nämä massiiviset, kirkkaat ja aikaisemmin puhtaasti teoreettiset kohteet muodostivat historian ensimmäiset raskaat alkuaineet, joita tarvitaan koostamaan meitä nykyään ympäröiviä tähtiä, niitä kiertäviä planeettoja ja tuntemamme kaltaista elämää. Vast'ikään löydetty, nimen CR7 saanut galaksi on kolme kertaa kirkkaampi kuin kirkkain tähän mennessä tunnettu etäinen galaksi.

Tähtitieteilijät ovat pitkään esittäneet teorioita populaatio III -nimellä tunnetun ensimmäisen sukupolven tähtien olemassaolosta. Ne syntyivät alkuräjähdyksen jälkeen siinä muodostuneesta materiasta [1]. Kaikki hapen, typen, hiilen ja raudan kaltaiset elämälle välttämättömät raskaammat alkuaineet muodostuivat tähtien sisuksissa. Tämä tarkoittaa sitä, että ensimmäisten tähtien piti muodostua vain tähtiä edeltäneistä alkuaineista: vedystä, heliumista ja häivähtävän pienestä määrästä litiumia.

Nämä populaatio III:n tähdet ovat olleet valtavia — useita satoja tai jopa tuhat kertaa Aurinkoa massiiviempia — häikäisevän kuumia, ja lyhytikäisiä — räjähtäen supernovina vain noin kahden miljoonan vuoden ikäisinä. Tähän mennessä niiden olemassaolon fysikaalisten todisteiden etsintä on kuitenkin ollut tuloksetonta [2].

Portugalilaisen Lissabonin yliopiston Luonnontieteiden tiedekunnan Astrofysiikan ja avaruustieteiden laitoksen sekä alankomaalaisen Leidenin observatorion David Sobralin johtama tutkimusryhmä on nyt käyttänyt ESO:n VLT-teleskooppia (Very Large Telescope) kurkistaakseen muinaisen maailmankaikkeuden reionisaationa tunnettuun ajanjaksoon noin 800 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Pienen taivaan alueen kapean ja syvän kartoituksen sijaan he laajensivat näkökulmaansa tuottaakseen kaikkien aikojen laajimman hyvin kaukaisten galaksien kartoituksen.

Heidän laaja tutkimuksensa tehtiin käyttäen VLT-teleskooppia, jota avustivat W. M. Keck -observatorio ja Subaru-teleskooppi sekä NASA:n ja ESA:n Hubble-avaruusteleskooppi. Tutkimusryhmä löysi ja vahvisti joukon hämmästyttävän kirkkaita, hyvin nuoria galakseja. Nimen CR7 saanut [3] galaksi oli poikkeuksellisen harvinainen kohde — kaikkien aikojen kirkkain galaksi, joka on havaittu tältä maailmankaikkeuden ajanjaksolta [4]. Galaksin CR7 sekä muiden kirkkaiden galaksien löytymisen myötä tutkimus oli jo menestys, mutta lisätarkastelu tuotti lisää jännittäviä uutisia.

VLT-teleskoopin X-shooter ja SINFONI-havaintolaitteet löysivät vahvaa ionisoituneen heliumin säteilyä galaksista CR7, mutta — merkittävästi ja hämmästyttävästi — ei merkkiäkään raskaammista alkuaineista galaksin kirkkaassa sylissä. Tämä tarkoittaa sitä, että tutkimusryhmä oli löytänyt ensimmäisen hyvän todisteen joukosta populaatio III:n tähtiä, jotka olivat ionisoineet galaksin kaasun varhaisessa maailmankaikkeudessa [5].

"Löytö haastoi odotuksemme heti alkuunsa," sanoi David Sobral, "sillä me emme odottaneet löytävämme niin kirkasta galaksia. Sitten, paljastamalla galaksin CR7 luonteen pala palalta, me ymmärsimme, että emme olleet löytäneet vain selvästi kirkkainta etäistä galaksia, vaan olimme myös alkaneet ymmärtää, että sillä oli jok'ikinen populaatio III:n tähdiltä odotettu ominaisuus. Nuo tähdet olivat niitä, jotka muodostivat ensimmäiset raskaat atomit, joiden ansiosta me lopulta saatamme olla täällä. Tutkimus tuskin voi olla enää tätä jännittävämpää."

Galaksin CR7 sisältä löydettiin sinisempiä ja hieman punaisempia tähtien joukkoja, mikä viittaa siihen, että populaatio III:n tähtien muodostuminen tapahtui aalloissa — aivan kuten oli oletettu. Tutkimusryhmä havaitsi suoraan populaatio III:n tähtien viimeisen aallon, mikä viittasi siihen, että tällaisten tähtien etsiminen on yksinkertaisempaa kuin aikaisemmin kuviteltiin: ne ovat normaalien tähtien joukossa kirkkaammissa galakseissa, eivätkä vain varhaisimmissa, pienimmissä ja himmeimmissä galakseissa, jotka ovat niin himmeitä, että niitä on äärimmäisen vaikea tutkia.

Jorryt Matthee, tutkimusjulkaisun toinen kirjoittaja päättää: "Minä olen aina ihmetellyt, mistä tulemme. Jopa lapsena halusin tietää, mistä alkuaineet tulevat: luitteni kalsium, lihasteni hiili, vereni rauta. Havaitsin, että nämä muodostuivat alkuunsa aivan maailmankaikkeuden alussa, ensimmäisen sukupolven tähdissä. Tämän löydön myötä, erityisesti, olemme alkamassa ensimmäistä kertaa nähdä näitä kohteita."

VLT-teleskoopilla, ALMA:lla ja NASA:n ja ESA:n Hubble-avaruusteleskoopilla on suunnitteilla lisää havaintoja vahvistamaan ilman epäilyksen häivää, että nyt tosiaan havaittiin populaatio III:n tähtiä, sekä etsimään ja tunnistamaan lisää esimerkkejä.

Lisähuomiot

[1] Nimitys populaatio III sai alkunsa siitä, että tähtitieteilijät olivat jo luokitelleet Linnunradan tähdet populaatio I:n tähdiksi (Auringon kaltaiset runsaasti raskaita alkuaineita sisältävät sekä kiekon muodostavat tähdet) sekä populaatio II:n tähdiksi (vanhemmat tähdet, joilla on vähäinen määrä raskaita alkuaineita ja joita löydetään Linnunradan keskuspullistumassa ja halossa sekä pallomaisissa tähtijoukoissa).

[2] Näiden tähtien löytäminen on hyvin vaikeaa: ne ovat olleet hyvin lyhytikäisiä ja loistaneet aikana, jolloin maailmankaikkeus oli suurelta osin läpinäkymätön niiden valolle. Aikaisempiin havaintoihin lukeutuvat: Nagao et al. 2008, jossa ei löydetty ionisoitunutta heliumia; De Breuck et al. 2000, jossa ionisoitunutta heliumia löydettiin, mutta hiilen ja hapen ohessa, sekä selviä merkkejä aktiivisesta galaksin ytimestä; sekä Cassata et al. 2013, jossa ionisoitunutta heliumia löydettiin, mutta hyvin alhaisella ekvivalentilla leveydellä, eli alhaisella intensiteetillä, sekä hiilen ja hapen ohessa.

[3] Galaksin CR7 lempinimi on lyhennys nimestä COSMOS Redshift 7, joka on mitta sen sijainnille kosmisessa aikaskaalassa. Mitä suurempi punasiirtymä, sitä etäisempi galaksi on  ja sitä kauemmas maailmankaikkeuden historiaan katsotaan. Galaksilla A1689-zD1, yhdellä vanhimmista milloinkaan havaituista galakseista, on esimerkiksi punasiirtymä 7.5.

Lempinimen innoittaja oli suuri portugalilainen jalkapalloilija, Cristiano Ronaldo, joka tunnetaan nimellä CR7.

[4] CR7 on kolme kertaa kirkkaampi kuin aikaisempi ennätyksenhaltija, Himiko, jota kuviteltiin ainutkertaiseksi.

[5] Tutkimusryhmä harkitsi kahta vaihtoehtoista teoriaa: sitä, että valon lähde oli joko aktiivinen galaksin ydin tai Wolf-Rayet -tähdet. Raskaiden alkuaineiden puuttuminen ja muu todistusaineisto torjuivat vahvasti molemmat näistä teorioista. Ryhmä harkitsi lähteeksi myös DCBH- mustia aukkoja, jotka ovat itsessään eksoottisia ja täysin teoreettisia kohteita. Leveiden emissioviivojen puute ja se, että vedyn ja heliumin kirkkaudet olivat paljon tällaiselle mustalle aukolle ennustettuja suuremmat, viittaavat siihen, että myös tämä on epätodennäköinen selitys. Röntgensäteilyn puute torjuisi vahvemmin tämän vaihtoehdon, mutta lisää havaintoja tarvitaan.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tutkimusjulkaisussa "Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, jonka kirjoittivat D. Sobral, et al. Julkaisu on hyväksytty julkaistavaksi julkaisusarjassa The Astrophysical Journal.

Tutkimusryhmään kuuluvat David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugali; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugali; Leidenin observatorio, Leidenin yliopisto, Leiden, Alankomaat), Jorryt Matthee (Leidenin observatorio), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Sveitsi; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, Ranska), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Huub J. A. Röttgering (Leidenin observatorio), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugali) ja Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista E-ELT -teleskooppia (European Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

David Sobral
Universidade de Lisboa and Leiden University
Lisbon / Leiden, Portugal / The Netherlands
Puh.: +351 916 700 769
Sähköposti: sobral@iastro.pt

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

João Retrê
Coordinator, Science Communication and Outreach Office, Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço
Lisbon, Portugal
Puh.: +351 21 361 67 49
Sähköposti: jretre@iastro.pt

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media

Tämä on ESO:n lehdistötiedotteen käännös eso1524.