Komunikat prasowy

Odległe galaktyki odsłaniają proces czyszczenia kosmicznej mgły

Nowe obserwacje VLT zarysowały oś czasu dla epoki rejonizacji

12 października 2011

Naukowcy użyli teleskopu ESO VLT do zbadania wczesnego Wszechświata w kilku różnych okresach czasu, w momencie gdy stawał się przezroczysty dla światła ultrafioletowego. Ta krótka, ale dramatyczna faza w kosmicznej historii – znana jako rejonizacja – wydarzyła się około 13 miliardów lat temu. Dokładnie badając najodleglejsze galaktyki, zespół był w stanie ustalić po raz pierwszy przebieg czasowy rejonizacji. Naukowcy pokazali tak, że ta faza musiała nastąpić wcześniej niż do tej pory sądzili astronomowie.

Międzynarodowy zespół astronomów użył teleskopu VLT jako maszyny czasu, aby spojrzeć wstecz na wczesny Wszechświat i zaobserwować kilka najodleglejszych spośród znanych galaktyk. Naukowcy byli w stanie dokładnie zmierzyć odległości do galaktyk i ustalili, że wyemitowały światło w okresie pomiędzy 780 milionami, a miliardem lat po Wielkim Wybuchu [1].

Nowe obserwacje pozwoliły astronomom po raz pierwszy narysować oś czasu dla ery rejonizacji [2]. Podczas tej fazy czyszczona była mgła z gazu wodorowego we Wczesnym Wszechświecie, pozwalając światłu ultrafioletowemu na podróżowanie bez przeszkód.

Najnowsze wyniki, które ukażą się w Astrophysical Journal, oparte są na długich i systematycznych badaniach odległych galaktyk, które zespół przeprowadził w ciągu ostatnich trzech lat za pomocą teleskopu VLT.

“Archeolodzy mogą rekonstruować oś czasu przeszłości dzięki znaleziskom w różnych warstwach gruntu. Astronomowie mogą pójść dalej: możemy bezpośrednio patrzeć w odległą przeszłość i obserwować słabe światło od różnych galaktyk będących w różnych stadiach kosmicznej ewolucji” wyjaśnia Adriano Fontana z INAF Rome Astronomical Observatory, który kierował projektem. „Różnice pomiędzy galaktykami mówią nam o zmieniających się warunkach we Wszechświecie w tym ważnym okresie i jak szybko te zmiany następowały.”

Różne pierwiastki chemiczne świecą jasno w charakterystycznych dla siebie kolorach. Te maksima jasności znane są jako linie emisyjne. Jedną najsilniejszych linii emisyjnych w ultrafiolecie jest Lyman-alfa, która pochodzi od gaz wodorowego [3]. Jest wystarczająco jasna i rozpoznawalna, aby wykryć ją nawet w obserwacjach bardzo słabych i odległych galaktyk.

Odnalezienie linii Lyman-alfa w pięciu bardzo odległych galaktykach [4] pozwoliło naukowcom na dokonanie dwóch ważnych czynności: po pierwsze, badając jak daleko linia została przesunięta w stronę czerwonego krańca widma, byli w stanie ustalić odległość do galaktyk, a na jej podstawie to jak późno po Wielkim Wybuchu możemy je obserwować [5]. Pozwoliło to ustawić je w odpowiedniej kolejności, tworzą linię czasu, która pokazuje to w jaki sposób światło galaktyk ewoluowało w czasie. Po drugie, byli w stanie ustalić do jakiego stopnia emisja Lyman-alfa – która pochodzi od świecącego gazu wodorowego w galaktykach – była absorbowana przez mgłę wodoru neutralnego w przestrzeni międzygalaktycznej w różnych momentach czasu.

“Widzimy dramatyczne różnice pomiędzy ilością blokowanego światła ultrafioletowego od najwcześniejszych i najpóźniejszych galaktyk w naszej próbce” mówi Laura Pentericci of INAF Rome Astronomical Observatory, główna autorka pracy. ”Gdy Wszechświat miał zaledwie 780 milionów lat, ten neutralny wodór był całkiem powszechny, wypełniając od 10 do 50% objętości Wszechświata. Ale 200 milionów lat później ilość neutralnego wodoru spadła do bardzo małego poziomu, podobnego do obserwowanego obecnie. Wydaje się, ze rejonizacja musiała nastąpić szybciej niż dotychczas sądzili astronomowie.”

Oprócz badań tempa, w którym pierwotna mgła ulegała wyczyszczeniu, obserwacje zespołu dają informacje o prawdopodobnych źródłach światła ultrafioletowego, które dostarczyły energii potrzebnej do rejonizacji. Istnieje kilka konkurencyjnych teorii wyjaśniających skąd pochodzi to światło – dwoma głównymi kandydatami są pierwsza generacja gwiazd we Wszechświecie [6] oraz intensywne promieniowanie emitowane przez materię spadającą na czarne dziury.

„Szczegółowe analizy słabego światło z dwóch najdalszych galaktyk sugerują, że pierwsza generacja gwiazd mogła wnieść wkład w obserwowaną emisję energii.” mówi Eros Vanzella z INAF Trieste Observatory, członek zespołu badawczego. „Byłyby to bardzo młode i masywne gwiazdy, około pięć tysięcy razy młodsze i około sto razy masywniejsze niż Słońce. Mogły one być w stanie przebić się przez  pierwotną mgłę i uczynić ją przezroczystą.”

Bardzo precyzyjne pomiary niezbędne do potwierdzenia lub zaprzeczenia tej hipotezie i pokazania w jaki sposób gwiazdy mogą produkować potrzebną energię, wymagają obserwacji z kosmosu lub z planowanego przez ESO Ogromnie Wielkiego Teleskopu Europejskiego (E-ELT), który stanie się największych okiem świata na niebo, gdy zostanie ukończony na początku przyszłej dekady.

Badanie tego wczesnego okresu kosmicznej historii jest wyzwaniem technicznym, ponieważ potrzebne są dokładne obserwacje ekstremalnie dalekich i słabych galaktyk, a to zadanie mogą podjąć jedynie najsilniejsze teleskopy. Do swoich badań zespół użył wielkiej powierzchni zbierającej światło 8,2-metrowego teleskopu VLT, aby wykonać obserwacje spektroskopowe galaktyk wcześniej zidentyfikowanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a należący do NASA/ESA oraz przez głębokie zdjęcia nieba z VLT.

Uwagi

[1] Najdalsza galaktyka ze zmierzony spektroskopowo dystansem ma przesunięcie ku czerwieni równe 8,6, co sytuuje ją 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu (eso1041). Jedna z galaktyk kandyduje do przesunięcia ku czerwieni około 10 (480 milionów lat po Wielkim Wybuchu), została zidentyfikowana przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a, ale obserwacje wymagają potwierdzenia. Najodleglejsza galaktyka zbadana w niniejszej pracy ma przesunięcie ku czerwieni równe 7,1, co odpowiada 780 milionom lat po Wielkim Wybuchu. Obecne Wszechświat ma 13,7 miliarda lat. Nowa próbka pięciu potwierdzonych galaktyk z detekcjami Lyman-alfa (spośród 20 kandydatek) stanowi połowę wszystkich znanych galaktyk o przesunięciu ku czerwieni z > 7.

[2] W czasie gdy formowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki, Wszechświat był wypełniony elektrycznie obojętnym gazem wodorowym, który absorbuje promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie ultrafioletowe od tych wczesnych galaktyk wzbudziło gaz, czyniąc go naładowanym elektrycznie (zjonizowanym) i stopniowo stał się przezroczysty dla tego promieniowania ultrafioletowego. Proces ten znany jest jako rejonizacja, gdyż uważa się, że wcześniej miał miejsce krótki, trwający 100 000 lat po Wielkim Wybuchu okres, w którym wodór także był zjonizowany.

[3] Zespół zmierzył własności wodoru za pomocą spektroskopii, techniki, która obejmuje rozdzielanie światła od galaktyk na składowe kolory, podobnie jak pryzmat rozdziela światło słoneczne na tęczę.

[4] Naukowcy wykorzystali VLT do zbadania widm 20 galaktyk kandydatek o redshiftach bliskich 7. Pochodziły one z “głębokich” obrazów nieba w trzech osobnych polach. Spośród 20 obiektów w przypadku pięciu udało się wykryć emisje Lyman-alfa. Obecnie jest to jedyny zestaw spektroskopowo potwierdzonych galaktyk w pobliżu z = 7.

[5] Ponieważ Wszechświat się rozszerza, długość fali świetlnej pochodzącej od obiektów astronomicznych jest rozciągana w trakcie swojej podróży przez kosmos. Im dalszy dystans ma do przebycia światło, tym bardziej jest rozciągnięte. Ponieważ czerwony stanowi najdłuższe fale w zakresie widzialnym dla naszego oka, charakterystyczny czerwony kolor, jaki efekt ten daje ekstremalnie dalekim obiektom, znany jest jako przesunięcie ku czerwieni (redshift). Mimo, że technicznie jest to wskaźnik tego w jaki sposób kolor światła obiektu został zmieniony, określa także dystans do obiektu oraz to w jakim momencie czasu od Wielkiego Wybuchu go widzimy.

[6] Astronomowie klasyfikują gwiazdy w trzech kategoriach, znanych jako populacja I, populacja II I populacja III. Gwiazdy populacji I, takie jak nasze Słońce, są bogate w cięższe pierwiastki, wytworzone w sercach najstarszych gwiazd i w wybuchach supernowych, gdyż powstały ze szczątków poprzednich generacji gwiazd. Gwiazdy populacji II mają mniej cięższych pierwiastków i są głównie zbudowane z wodoru, helu i litu, utworzonych w trakcie Wielkiego Wybuchu. Są to starsze gwiazdy, ale obecnie ciągle jest ich dużo we Wszechświecie. Gwiazdy populacji III nigdy nie były obserwowane bezpośrednio, ale uważa się, że istniały we wczesnym Wszechświecie. Ponieważ składały się wyłącznie z materii utworzonej podczas Wielkiego Wybuchu, nie zawierały żadnych cięższych pierwiastków. Z powodu roli jaką w formowaniu się gwiazd odgrywają cięższe pierwiastki, jedynie bardzo duże gwiazdy o krótkich okresach życia były w stanie uformować się w tym stadium, więc wszystkie gwiazdy populacji III szybko zakończyły swoje istnienie jako supernowe we wczesnych latach Wszechświata. Do tej pory brak mocnych dowodów potwierdzających ich istnienie, nawet w obserwacjach bardzo odległych galaktyk. 

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule “Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGs: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization”, który ukaże się w Astrophysical Journal. 

Skład zespołu badawczego: L.Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rzym, Włochy [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Triest, Włochy [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Niemcy), K. Boutsia (INAF-OAR), S. Cristiani (INAF-OAT), M. Dickinson (National Optical Astronomy Observatory, Tucson, USA), E. Giallongo (INAF-OAR), M. Giavalisco (University of Massachusetts, Amherst, USA), R. Maiolino (INAF-OAR), A. Moorwood (ESO, Garching), P. Santini (INAF-OAR).

ESO, Europejskie Obserwatorium Południowe, jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Jest wspierane przez 15 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 40-metrowej klasy Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia VLT

Kontakt

Dr. Laura Pentericci
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel.: +39 06 94 286 450
E-mail: laura.pentericci@oa-roma.inaf.it

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel.: +39 06 94 286 456
E-mail: adriano.fontana@oa-roma.inaf.it

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych