Bildkredit: ESO
Trots att universum för närvarande är en beige färg totalt sett brukade det vara mer blått, enligt astronomer med European Southern Observatory. Astronomerna utarbetade avståndet och färgen till 300 galaxer som ingick i Hubble Deep Sky-undersökningen, som tittade djupt på en himmelregion i den södra konstellationen Tuscanae.
Ett internationellt team av astronomer [1] har bestämt universums färg när det var mycket ungt. Medan universum nu är lite beige, var det mycket blåare i det avlägsna förflutet, i en tid då det bara var 2500 miljoner år gammalt.
Detta är resultatet av en omfattande och grundlig analys av mer än 300 galaxer sett i ett litet sydligt himmelområde, det så kallade Hubble Deep Field South. Huvudmålet för denna avancerade studie var att förstå hur universumets stellära innehåll samlades och har förändrats över tid.
Den holländska astronomen Marijn Franx, en teammedlem från Leiden-observatoriet (Nederländerna), förklarar: ”Den blå färgen på det tidiga universum orsakas av det övervägande blåa ljuset från unga stjärnor i galaxerna. Den rödare färgen på Space Magazine orsakas av det relativt större antalet äldre, rödare stjärnor. ”
Teamledaren Gregory Rudnick från Max-Planck Institut för Astrophysics (Garching, Tyskland) tillägger: ”Eftersom den totala mängden ljus i universum tidigare var ungefär densamma som idag och en ung blå stjärna avger mycket mer ljus än en gammal röd stjärna, det måste ha varit betydligt färre stjärnor i det unga universum än det är nu. Våra nya resultat tyder på att majoriteten av stjärnorna i universum bildades relativt sent, inte så länge innan vår sol föddes, vid ett ögonblick då universum var cirka 7 000 miljoner år gammalt. ”
Dessa nya resultat är baserade på unika data som samlats in under mer än 100 timmars observationer med ISAACs multimodsinstrument vid ESO: s Very Large Telescope (VLT), som en del av ett stort forskningsprojekt, Faint InfraRed Extragalactic Survey (FIRES). Avståndet till galaxerna beräknades från deras ljusstyrka i olika optiska nära-infraröda våglängdsband.
Observera det tidiga universum
Det är nu välkänt att solen bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan. Men när bildade de flesta av de andra stjärnorna i vårt hem Galaxy? Och hur är det med stjärnor i andra galaxer? Detta är några av de viktigaste frågorna i dagens astronomi, men de kan bara besvaras med observationer med världens största teleskop.
Ett sätt att ta itu med dessa frågor är att observera det mycket unga universum direkt - genom att titta tillbaka i tiden. För detta utnyttjar astronomer det faktum att ljus som avges från mycket avlägsna galaxer reser länge innan de når oss. Således, när astronomer tittar på sådana avlägsna föremål, ser de dem som de verkade för länge sedan.
Dessa avlägsna galaxer är emellertid extremt svaga, och dessa observationer är därför tekniskt svåra. En annan komplikation är att på grund av universums expansion expanderas ljus från dessa galaxer mot längre våglängder [2], ur det optiska våglängdsområdet och in i det infraröda området.
För att kunna studera de tidiga galaxerna i detalj måste astronomer därför använda de största markbaserade teleskopna och samla sitt svaga ljus under mycket långa exponeringar. Dessutom måste de använda infraröda känsliga detektorer.
Teleskop som gigantiska ögon
"Hubble Deep Field South (HDF-S)" är en mycket liten del av himlen i den södra konstellationen Tucanae ("Toucan"). Det valdes för mycket detaljerade studier med Hubble Space Telescope (HST) och andra kraftfulla teleskoper. Optiska bilder av detta fält erhållna av HST representerar en total exponeringstid på 140 timmar. Många markbaserade teleskop har också erhållit bilder och spektra av föremål i detta himmelområde, särskilt ESO-teleskop i Chile.
Ett himmelområde på 2,5 x 2,5 arkmin2 i riktning mot HDF-S observerades i samband med en grundlig studie (Faint InfraRed Extragalactic Survey; FIRES, se ESO PR 23/02). Det är något större än fältet som täcks av WFPC2-kameran på HST, men fortfarande 100 gånger mindre än det område som fullmånen subventioneras.
Närhelst detta fält var synligt från ESO Paranal Observatory och de atmosfäriska förhållandena var optimala, pekade ESO-astronomer 8,2 m VLT ANTU-teleskopet i denna riktning och tog nästan infraröda bilder med ISAACs multimodsinstrument. Sammantaget observerades fältet i mer än 100 timmar och de resulterande bilderna (se ESO PR 23/02) är de djupaste markbaserade vyerna i det nära-infraröda Js- och H-bandet. Ks-bandbilden är den djupaste någonsin som erhållits av något himmelfält i detta spektralband, vare sig det är från marken eller från rymden.
Dessa unika data ger en exceptionell vy och har nu tillåtit enastående studier av galaxpopulationen i det unga universum. På grund av de exceptionella synförhållandena i Paranal har de data som erhållits med VLT verkligen en utmärkt bildskärpa (en "se" på 0,48 bågsek) och kan kombineras med HST-optiska data utan nästan kvalitetsförlust.
En blåare färg
Astronomerna kunde på ett otvetydigt sätt upptäcka cirka 300 galaxer på dessa bilder. För var och en av dem mätte de avståndet genom att bestämma rödförskjutningen [2]. Detta gjordes med hjälp av en nyligen förbättrad metod som baseras på jämförelsen av ljusstyrkan hos varje objekt i alla enskilda spektralband med det för en uppsättning närliggande galaxer.
På detta sätt hittades galaxer i fältet med rödförskjutningar så höga som z = 3,2, motsvarande avstånd runt 11 500 miljoner ljusår. Med andra ord så astronomerna ljuset från dessa mycket avlägsna galaxer som de var när universum bara var cirka 2,2 miljarder år gammalt.
Astronomerna bestämde därefter mängden ljus som släpptes ut av varje galax på ett sådant sätt att effekterna av den röda skiftningen "togs bort". Det vill säga, de mätte mängden ljus vid olika våglängder (färger) som det skulle ha spelats in av en observatör nära den galaxen. Detta avser naturligtvis bara ljuset från stjärnor som inte är djupt dolda av damm.
Sammanfattning av ljuset som emitteras vid olika våglängder av alla galaxer vid en given kosmisk epok, kunde astronomerna också bestämma universums medelfärg (den "kosmiska färgen") vid den epoken. Dessutom kunde de mäta hur den färgen har förändrats när universum blev äldre.
De drar slutsatsen att den kosmiska färgen blir mörkare med tiden. I synnerhet var det mycket blåare tidigare; nu, vid en ålder av nästan 14.000 miljoner år, har universum en slags beige färg.
När bildades stjärnor?
Förändringen av den kosmiska färgen med tiden kan vara intressant i sig, men det är också ett viktigt verktyg för att bestämma hur snabbt stjärnor samlades i universum.
Även om stjärnbildningen i enskilda galaxer kan ha komplicerade historier, ibland påskyndas till verkliga "stjärnbrister", visar de nya observationerna - nu baserade på många galaxer - att "genomsnittlig historia" av stjärnbildningen i universum är mycket enklare. Detta framgår av den observerade, smidiga förändringen av den kosmiska färgen när universum blev äldre.
Genom att använda den kosmiska färgen kunde astronomerna också bestämma hur medelåldern för relativt fria stjärnor i universum förändrades med tiden. Eftersom universum var mycket blåare tidigare än nu är, drog de slutsatsen att universum inte producerar så många blå (högmassa, kortlivade) stjärnor nu som det var tidigare, samtidigt som de röda (låga massan) , långlivade) stjärnor från tidigare generationer av stjärnbildning är fortfarande närvarande. Blå, massiva stjärnor dör snabbare än röda, lågmassiga stjärnor, och därför som en grupp stjärnas ålder ökar, dör de blå kortlivade stjärnorna och gruppens genomsnittliga färg blir rödare. Så gjorde universum som helhet.
Detta beteende liknar den åldrande trenden i moderna västerländska länder där mindre spädbarn föds än tidigare och människor lever längre än tidigare, med den totala effekten att befolkningens medelålder stiger.
Astronomerna bestämde hur många stjärnor som redan hade bildats när universum bara var cirka 3 000 miljoner år gammalt. Unga stjärnor (med blå färg) avger mer ljus än äldre (rödare) stjärnor. Men eftersom det fanns ungefär lika mycket ljus i det unga universum som det finns idag - även om galaxerna nu är mycket rödare - innebär detta att det fanns färre stjärnor i det tidiga universum än i dag. Den nuvarande studien antyder att det fanns tio gånger färre stjärnor vid den tidiga tiden än nu.
Slutligen fann astronomerna att ungefär hälften av stjärnorna i de observerade galaxerna har bildats efter den tid då universum var ungefär hälften så gammal (7 000 miljoner år efter Big Bang) som det är idag (14 000 miljoner år).
Även om detta resultat härstammar från en studie av ett mycket litet himmelfält, och därför kanske inte är helt representativt för universum som helhet, har det nuvarande resultatet visat sig innehålla andra himmelfält.
Ursprungskälla: ESO News Release
