Det kraftfulla Subaru-teleskopet på Hawai’i har hittat den mest avlägsna galaxen som någonsin har hittats, belägen 12,88 miljarder ljusår bort - detta är bara 780 miljoner år efter Big Bang. Att observera objekt som är så långt bort är oerhört svårt, inte bara på grund av de stora avstånden som ingår, utan för att mycket av universum doldes bakom neutralt väte. Stjärnor började först sedan rensa bort detta neutrala väte, vilket gjorde universum transparent.
Astronomer som använder Subaru-teleskopet på Hawai’i har sett 60 miljoner år längre tillbaka i tiden än några andra astronomer för att hitta den mest avlägsna kända galaxen i universum. Därmed håller de Subarus rekord för att hitta de mest avlägsna och tidigaste galaxer som är kända. Deras senaste upptäckt är av en galax som kallas I0K-1 som ligger så långt borta att astronomer ser den som den såg ut för 12,88 miljarder år sedan.
Denna upptäckt, baserad på observationer gjorda av Masanori Iye från National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), Kazuaki Ota från University of Tokyo, Nobunari Kashikawa från NAOJ, och andra indikerar att galaxer fanns endast 780 miljoner år efter att universumet kom till existens för cirka 13,66 miljarder år sedan som en het soppa med elementära partiklar.
För att upptäcka ljuset från denna galax använde astronomerna Subaru-teleskopets Suprime-Cam-kamera utrustad med ett speciellt filter för att leta efter kandidatavlägsna galaxer. De hittade 41 533 föremål, och från de identifierade två kandidatgalaxer för ytterligare studier med Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru. De fann att IOK-1, de ljusare av de två, har en rödförskjutning på 6.964, vilket bekräftar dess avstånd på 12,88 miljarder ljusår.
Upptäckten utmanar astronomer att avgöra exakt vad som hände mellan 780 och 840 miljoner år efter Big Bang. IOK-1 är en av endast två galaxer i den nya studien som kan tillhöra denna avlägsna epok. Med tanke på antalet galaxer som har upptäckts från 840 miljoner år efter Big Bang hade forskarteamet förväntat sig hitta så många som sex galaxer på detta avstånd. Den jämförande sällsyntheten hos objekt som IOK-1 betyder att universum måste ha förändrats under de 60 miljoner åren som skiljer de två epokarna.
Den mest spännande tolkningen av vad som hände är att vi ser en händelse som är känd för astronomer som universitetets reionisering. I detta fall, 780 miljoner år efter Big Bang, hade universum fortfarande tillräckligt med neutralt väte för att blockera vår syn på unga galaxer genom att absorbera ljuset som produceras av deras heta unga stjärnor. Sextio miljoner år senare fanns det tillräckligt med heta unga stjärnor för att jonera det återstående neutrala väte, vilket gjorde universum transparent och tillät oss att se deras stjärnor.
En annan tolkning av resultaten säger att det fanns färre stora och ljusa unga galaxer 780 miljoner år efter Big Bang än 60 miljoner år senare. I det här fallet skulle större delen av omjoniseringen ha ägt rum tidigare än för 12,88 miljarder år sedan.
Oavsett vilken tolkning som äntligen råder, signalerar upptäckten att astronomer nu gräver ut ljus från universums ”mörka ålder”. Detta är epoken när de första generationerna av stjärnor och galaxer kom till, och en epok som astronomer inte har kunnat observera förr än nu.
BAKGRUNDSINFORMATION:
Arkeologi för det tidiga universum med specialfilter
Nyfödda galaxer innehåller stjärnor med ett stort antal massor. Tyngre stjärnor har högre temperaturer och avger ultraviolett strålning som värmer och joniserar närliggande gas. När gasen kyls ut strålar den bort överskottsenergi så att den kan återgå till ett neutralt tillstånd. I denna process kommer väte alltid att avge ljus vid 121,6 nanometer, kallad Lyman-alfa-linjen. Varje galax med många heta stjärnor bör lysa ljust vid denna våglängd. Om stjärnor bildas på en gång kan de ljusaste stjärnorna ge Lyman-alfa-utsläpp under 10 till 100 miljoner år.
För att studera galaxer som IOK-1 som finns vid tidiga tider i universum måste astronomer leta upp Lyman-alfa-ljus som är sträckt och rödförskjutits till längre våglängder när universum expanderar. På våglängder längre än 700 nanometer måste astronomer emellertid ta itu med förgrundsutsläpp från OH-molekyler i jordens egen atmosfär som stör de svaga utsläppen från avlägsna föremål.
För att upptäcka det svaga ljuset från avlägsna galaxer hade forskarteamet observerat vid våglängder där jordens atmosfär inte lyser mycket, genom fönster på 711, 816 och 921 nanometer. Dessa fönster motsvarar den rödförskjutna Lyman-alfa-emissionen från galaxer med rödförskjutningar på 4,8, 5,7 respektive 6,6. Dessa siffror indikerar hur mycket mindre universum jämfördes med nu och motsvarar 1,26 miljarder år, 1,01 miljarder år och 840 miljoner år efter Big Bang. Detta är som att göra arkeologi från det tidiga universum med särskilda filter som gör det möjligt för forskare att se in i olika lager av en utgrävning.
För att få sina spektakulära nya resultat var teamet tvungna att utveckla ett filter som är känsligt för ljus med våglängder endast omkring 973 nanometer, vilket motsvarar Lyman alfa-utsläpp vid en röd förskjutning av 7,0. Denna våglängd ligger vid gränsen för moderna CCD: er, som förlorar känsligheten vid våglängder längre än 1000 nanometer. Det här i sitt slagfilter, kallad NB973, använder beläggningstekniken för flera lager och tog mer än två år att utveckla. Filtret behövde inte bara passera ljus med våglängder endast omkring 973 nanometer, utan det måste också täcka enhetligt hela synfältet för teleskopets främsta fokus. Teamet arbetade med ett företag, Asahi Spectra Co.Ltd, för att designa ett prototypfilter som skulle användas med Subarus Faint Object Camera, och använde sedan den upplevelsen för att göra filtret för Suprime-Cam.
Observationerna
Observationerna med NB973-filtret ägde rum under våren 2005. Efter mer än 15 timmars exponeringstid nådde de erhållna data en begränsande storlek på 24,9. Det fanns 41 533 objekt i den här bilden, men en jämförelse med bilder tagna med andra våglängder visade att endast två av objekten var ljusa bara i NB973-bilden. Teamet drog slutsatsen att endast dessa två föremål kunde vara galaxer vid en rödförskjutning av 7,0. Nästa steg var att bekräfta identiteten för de två föremålen, IOK-1 och IOK-2, och teamet observerade dem med Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru-teleskopet. Efter 8,5 timmars exponeringstid kunde teamet få ett spektrum av en utsläppslinje från den ljusare av de två föremålen, IOK-1. Spektrumet visade en asymmetrisk profil som är karakteristisk för Lyman-alfa-utsläpp från en avlägsen galax. Utsläppslinjen centrerades på en våglängd av 968,2 nanometer (rödskift 6,964), motsvarande ett avstånd på 12,88 miljarder ljusår och tid på 780 miljoner år efter Big Bang.
Identiteten för den andra kandidatgalaxen
Tre timmars observationstid gav inga slutgiltiga resultat för att bestämma arten av IOK-2. Sedan har forskargruppen fått mer data som nu analyseras. Det är möjligt att IOK-2 kan vara en annan avlägsen galax, eller det kan vara ett objekt med variabel ljusstyrka. Till exempel, en galax med en supernova eller ett svart hål som sväljer aktivt material som just råkade vara ljust under observationerna med NB973-filtret. (Observationer i de andra filtren gjordes ett till två år tidigare.)
Subaru Deep Field
Subaru-teleskopet är särskilt väl lämpat för sökning efter de mest avlägsna galaxerna. Av alla 8- till 10-meters teleskop i världen är det det enda med förmågan att montera en kamera med högsta fokus. Det främsta fokuset på toppen av teleskopröret har fördelen med ett brett synfält. Som ett resultat dominerar Subaru för närvarande listan över de mest avlägsna kända galaxerna. Många av dessa ligger i ett område på himlen i riktning mot stjärnbilden Coma Berenices som kallas Subaru Deep Field som forskargruppen valde för intensiv studie på många våglängder.
Universums tidiga historia och bildandet av de första galaxerna
För att sätta denna Subaru-prestation i kontext är det viktigt att se över vad vi vet om historien om det tidiga universum. Universum började med Big Bang, som inträffade för cirka 13,66 miljarder år sedan i ett brinnande kaos av extrem temperatur och tryck. Inom de första tre minuterna expanderade och kyldes spädbarnsuniverset snabbt och producerade kärnorna i ljusa element som väte och helium men mycket få kärnor med tyngre element. Under 380 000 år hade saker svalnat till en temperatur på cirka 3 000 grader. Då kunde elektroner och protoner kombineras för att bilda neutralt väte.
Med elektroner som nu är bundna till atomkärnor kan ljus färdas genom rymden utan att spridas av elektroner. Vi kan faktiskt upptäcka ljuset som genomsyrade universum då. På grund av tid och avstånd har det emellertid sträckts med en faktor 1000, som fyller universum med strålning som vi upptäcker som mikrovågor (kallas den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden). Rymdfarkosten Wilkinson Microbys Anisotropy Probe (WMAP) studerade denna strålning och dess data gjorde det möjligt för astronomer att beräkna universumets ålder på cirka 13,66 miljarder år. Dessutom innebär dessa data förekomsten av sådana saker som mörk materia och den ännu mer gåtfulla mörka energin.
Astronomer tror att under de första hundra miljoner åren efter Big Bang fortsatte universum att svalna och att den första generationen stjärnor och galaxer bildades i de tätaste områdena av materia och mörk materia. Denna period kallas universumets "mörka åldrar". Det finns inga direkta observationer av dessa händelser ännu, så astronomer använder datorsimuleringar för att binda samman teoretiska förutsägelser och befintliga observationsbevis för att förstå bildandet av de första stjärnorna och galaxerna.
När ljusa stjärnor föddes kan deras ultravioletta strålning jonisera närliggande väteatomer genom att dela dem tillbaka i separata elektroner och protoner. Vid någon tidpunkt fanns det tillräckligt ljusa stjärnor för att jonisera nästan allt neutralt väte i universum. Den här processen kallas universitetets reionisering. Reoniseringens epok signaliserar slutet på universums mörka åldrar. Idag joniseras det mesta av väte i utrymmet mellan galaxer.
Utpekar epoket för reonisering
Astronomer har uppskattat att återjonisering inträffade någon gång mellan 290 och 910 miljoner år efter universums födelse. Att peka på början och slutet av reoniseringens epok är en av de viktiga stegstegen för att förstå hur universum utvecklas och är ett område med intensiv studie inom kosmologi och astrofysik.
Det verkar som om vi ser längre tillbaka i tiden, galaxer blir sällsyntare och sällsyntare. Antalet galaxer med en rödförskjutning på 7,0 (vilket motsvarar en tid ungefär 780 miljoner år efter Big Bang) verkar mindre än vad astronomer ser vid en rödförskjutning på 6,6 (vilket motsvarar en tid cirka 840 miljoner år efter Big Bang) . Eftersom antalet kända galaxer vid en rödförskjutning på 7,0 fortfarande är litet (endast en!) Är det svårt att göra robusta statistiska jämförelser. Det är emellertid möjligt att minskningen i antalet galaxer vid högre rödförskjutning beror på närvaron av neutralt väte som absorberar Lyman-alfa-emissionen från galaxer vid högre rödväxling. Om ytterligare forskning kan bekräfta att antalet täthet för liknande galaxer minskar mellan en rödskiftning på 6,6 och 7,0, kan det betyda att IOK-1 fanns under epoket av universumets reonisering.
Dessa resultat kommer att publiceras den 14 september 2006, utgåvan av Nature.
Originalkälla: Subaru News Release
