Bildkredit: ESO
Ett team av astronomer baserat på Hawaii har upptäckt en avlägsen galax som ligger 12,8 miljarder ljusår bort, vilket visar oss hur universumet såg ut när det bara var 900 miljoner år gammalt. De hittade galaxen med hjälp av en speciell kamera installerad i Kanada-Frankrike-Hawaii teleskopet som söker efter avlägsna föremål i en mycket specifik ljusfrekvens. Genom att avslöja denna galax, som ligger i stjärnbilden Cetus, precis nära stjärnan Mira, har teamet utvecklat en ny metod för att upptäcka avlägsna föremål som borde hjälpa framtida observatörer se ännu längre in i det förflutna.
Med förbättrade teleskop och instrument har observationer av extremt avlägsna och svaga galaxer blivit möjliga som tills nyligen var astronomernas drömmar.
Ett sådant objekt hittades av ett team av astronomer [2] med en bredfältskamera installerad vid Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet vid Mauna Kea (Hawaii, USA) under en sökning efter extremt avlägsna galaxer. Betecknad “z6VDF J022803-041618”, detekterades på grund av dess ovanliga färg, och var synlig endast på bilder som erhållits genom ett speciellt optiskt filterisolerande ljus i ett smalt nära-infrarött band.
Ett uppföljningsspektrum för detta objekt med multilägeinstrumentet FORS2 vid ESO Very Large Telescope (VLT) bekräftade att det är en mycket avlägsen galax (rödskiftet är 6.17 [3]). Det ses som det var när universum bara var cirka 900 miljoner år gammalt.
z6VDF J022803-041618 är en av de mest avlägsna galaxerna för vilka spektra hittills har erhållits. Intressant nog upptäcktes det på grund av ljuset som släpptes ut av dess massiva stjärnor och inte, som ursprungligen förväntades, från utsläpp av vätgas.
En kort historia om det tidiga universum
De flesta forskare håller med om att universum härstammar från ett hett och extremt tätt initialtillstånd i en Big Bang. De senaste observationerna tyder på att denna avgörande händelse ägde rum för cirka 13 700 miljoner år sedan.
Under de första minuterna producerades enorma mängder väte- och heliumkärnor med protoner och neutroner. Det fanns också massor av fria elektroner och under följande epok spriddes de många fotonerna från dessa och atomkärnorna. I detta skede var universum helt ogenomskinligt.
Efter cirka 100 000 år hade universum svalnat till några tusen grader och kärnorna och elektronerna kombinerades nu för att bilda atomer. Fotonerna sprids sedan inte längre från dessa och universum blev plötsligt transparenta. Kosmologer hänvisar till detta ögonblick som ”rekombinationsepoken”. Den mikrovågsbakgrundsstrålning som vi nu observerar från alla håll riktar fram tillståndet med stor enhetlighet i universum vid den avlägsna epoken.
I nästa fas rörde de ursprungliga atomerna - mer än 99% av väte och helium - tillsammans och började bilda enorma moln från vilka stjärnor och galaxer senare kom ut. Den första generationen stjärnor och, något senare, de första galaxerna och kvasarerna [4], producerade intensiv ultraviolett strålning. Den strålningen färdades dock inte så långt, trots att universum hade blivit transparent för länge sedan. Detta beror på att de ultravioletta (korta våglängds-) fotonerna omedelbart skulle absorberas av väteatomerna och "slå" elektroner från dessa atomer, medan fotoner med längre våglängd kan resa mycket längre. Den intergalaktiska gasen blev således igen joniserad i stadigt växande sfärer runt de joniserande källorna.
Vid ett ögonblick hade dessa sfärer blivit så stora att de överlappade helt; detta kallas "eponet med återjonisering". Fram till dess absorberades den ultravioletta strålningen av atomerna, men universum blev nu också transparent för denna strålning. Tidigare kunde ultraviolett ljus från de första stjärnorna och galaxerna inte ses över stora avstånd, men nu verkade universum plötsligt vara fullt av ljusa föremål. Det är av detta skäl som tidsintervallet mellan epokarna av "rekombination" och "återjonisering" kallas "mörkåldern".
När var slutet på "Dark Ages"?
Den exakta eponet av återjonisering är föremål för aktiv debatt bland astronomer, men de senaste resultaten från mark- och rymdobservationer tyder på att ”Dark Ages” varade några hundra miljoner år. Olika forskningsprogram pågår nu som försöker bestämma när dessa tidiga händelser inträffade. För detta är det nödvändigt att hitta och studera i detalj de tidigaste och därmed mest avlägsna objekten i universum - och detta är en mycket krävande observationsinsats.
Ljus är nedtonat av kvadratet på avståndet och ju längre vi ser ut i rymden för att observera ett föremål - och ju längre tillbaka i tiden vi ser det - desto svagare ser det ut. Samtidigt förskjuts dess svaga ljus mot spektrumets röda region på grund av universums expansion - ju större avståndet är, desto större blir den observerade rödskiftningen [3].
Lyman-alfa-utsläppslinjen
Med markbaserade teleskop uppnås de svagaste detektionsgränserna genom observationer i den synliga delen av spektrumet. Detekteringen av mycket avlägsna föremål kräver därför observationer av ultravioletta spektrala signaturer som har förskjutits till det synliga området. Normalt använder astronomerna för detta den rödförskjutna Lyman-alpha-spektralemissionslinjen med vilvåglängden 121.6 nm; det motsvarar fotoner som släpps ut av väteatomer när de byter från ett upphetsat tillstånd till deras grundläggande tillstånd.
Ett uppenbart sätt att söka efter de mest avlägsna galaxerna är därför att söka efter Lyman-alfa-emission vid de rödaste (längsta) möjliga våglängderna. Ju längre våglängd för den observerade Lyman-alpha-linjen är, desto större är den röda skiftningen och avståndet, och desto tidigare är den epok där vi ser galaxen och desto närmare kommer vi mot det ögonblick som markerade slutet på "Dark Ages" ”.
CCD-detektorer som används i astronomiska instrument (såväl som i kommersiella digitalkameror) är känsliga för ljus med våglängder upp till cirka 1 000 m, dvs. uppfattas av det mänskliga ögat vid cirka 700-750 nm.
Den ljusa nära-infraröda natthimlen
Det finns emellertid ett annat problem för den här typen av arbete. Sökningen efter svaga Lyman-alfa-utsläpp från avlägsna galaxer kompliceras av det faktum att den jordatmosfären - genom vilken alla markbaserade teleskop måste se ut - också avger ljus. Detta är särskilt så i den röda och nära-infraröda delen av spektrumet där hundratals diskreta utsläppslinjer härstammar från hydroxylmolekylen (OH-radikalen) som finns i den övre jordatmosfären på en höjd av cirka 80 km (se PR-foto 13a / 03).
Denna starka utsläpp som astronomerna hänvisar till som "himmelbakgrunden" är ansvarig för svaghetsgränsen vid vilken himmelobjekt kan upptäckas med markbaserade teleskoper med nära infraröda våglängder. Men det finns lyckligtvis spektrala intervaller av "låg OH-bakgrund" där dessa utsläppslinjer är mycket svagare, vilket möjliggör en svårare detektionsgräns från markobservationer. Två sådana “mörkhimmelfönster” framgår av PR Photo 13a / 03 nära våglängder 820 och 920 nm.
Med tanke på dessa aspekter är därför ett lovande sätt att söka effektivt efter de mest avlägsna galaxerna att observera vid våglängder nära 920 nm med hjälp av ett optiskt filter med smalband. Anpassning av spektralbredden på detta filter till cirka 10 nm möjliggör detektering av så mycket ljus från himmelobjekten som möjligt när det släpps ut i en spektral linje som matchar filtret, samtidigt som den negativa påverkan av himmelutsläppet minimeras.
Med andra ord, med maximalt ljus som samlats in från de avlägsna föremålen och ett minimum av störande ljus från den jordiska atmosfären, är chansen att upptäcka de avlägsna föremålen optimal. Astronomerna talar om att ”maximera kontrasten” för objekt som visar utsläppslinjer vid denna våglängd.
CFHT-sökprogrammet
Baserat på ovanstående överväganden installerade ett internationellt team av astronomer [2] ett smalbandigt optiskt filter centrerat vid den nära infraröda våglängden 920 nm på CFH12K-instrumentet i teleskopet Kanada-Frankrike-Hawaii på Mauna Kea (Hawaii, USA) att söka efter extremt avlägsna galaxer. CFH12K är en bredfältskamera som används vid CFHT: s främsta fokus, och ger en synfält på ca. 30 x 40 arkmin2, något större än fullmånen [5].
Genom att jämföra bilder av samma himmelfält taget genom olika filter kunde astronomerna identifiera föremål som verkar jämförelsevis "ljusa" i NB920-bilden och "svaga" (eller till och med inte synliga) i motsvarande bilder som erhållits genom de andra filtren . Ett slående exempel visas i PR Photo 13b / 03 - objektet i mitten är väl synligt i 920nm-bilden, men inte alls i de andra bilderna.
Den mest sannolika förklaringen för ett objekt med en så ovanlig färg är att det är en mycket avlägsen galax för vilken den observerade våglängden för den starka Lyman-alfa-emissionslinjen är nära 920 nm, på grund av den röda skiftningen. Allt ljus som avges från galaxen på våglängder som är kortare än Lyman-alfa absorberas starkt av mellanliggande interstellär och intergalaktisk vätgas; det är anledningen till att objektet inte syns i alla andra filter.
VLT-spektrumet
För att lära sig objektets sanna natur är det nödvändigt att utföra en spektroskopisk uppföljning genom att observera dess spektrum. Detta åstadkoms med FORS 2 multilägeinstrumentet vid 8,2 m VLT YEPUN-teleskopet vid ESO Paranal Observatory. Denna anläggning ger en perfekt kombination av måttlig spektral upplösning och hög känslighet i rött för denna typ av mycket krävande observationer. Det resulterande (svaga) spektrumet visas i PR Photo 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 visar en spårning av objektets slutliga ("rengjorda") spektrum efter extraktion från bilden som visas i PR Photo 13c / 03. En bred emissionslinje upptäcks tydligt (till vänster om mitten; förstorad i skäret). Den är asymmetrisk och är nedtryckt på sin blå (vänstra) sida. Detta, i kombination med det faktum att inget kontinuumljus upptäcks till vänster om linjen, är en tydlig spektral signatur av Lyman-alpha-linjen: fotoner som är "blåare" än Lyman-alpha absorberas kraftigt av gasen som finns i själva galaxen och i det intergalaktiska mediet längs siktlinjen mellan jorden och objektet.
De spektroskopiska observationerna gjorde det därför möjligt för astronomerna att entydigt identifiera denna linje som Lyman-alpha, och därför bekräfta det stora avståndet (hög rödskift) för detta specifika objekt. Den uppmätta rödförskjutningen är 6,17, vilket gör detta objekt till en av de mest avlägsna galaxerna som någonsin upptäckts. Den fick beteckningen “z6VDF J022803-041618” - den första delen av detta något svårt namn hänvisar till undersökningen och den andra indikerar positionen för denna galax på himlen.
Starlight i det tidiga universum
Men dessa observationer kom inte utan överraskning! Astronomerna hade hoppats (och förväntat) att upptäcka Lyman-alpha-linjen från objektet i mitten av det spektrala fönstret 920 nm. Men medan Lyman-alpha-linjen hittades placerades den på något kortare våglängd.
Således var det inte Lyman-alfa-utsläppet som fick denna galax att vara "ljus" i den smala bandbilden (NB920), utan "kontinuum" -utsläpp vid våglängder längre än den för Lyman-alfa. Denna strålning är mycket svagt synlig som en horisontell, diffus linje i PR Photo 13c / 03.
En konsekvens är att den uppmätta rödförskjutningen på 6,17 är lägre än den ursprungligen förutsagda rödförskjutningen på cirka 6,5. En annan är att z6VDF J022803-041618 upptäcktes av ljus från dess massiva stjärnor ("kontinuummet") och inte av utsläpp från vätgas (Lyman-alfa-linjen).
Denna intressanta slutsats är av särskilt intresse eftersom den visar att det i princip är möjligt att upptäcka galaxer på detta enorma avstånd utan att behöva förlita sig på Lyman-alfa-utsläppslinjen, som kanske inte alltid finns i spektra för de avlägsna galaxerna. Detta kommer att ge astronomerna en mer fullständig bild av galaxpopulationen i det tidiga universum.
Att observera mer och mer av dessa avlägsna galaxer kommer dessutom att hjälpa till att bättre förstå universitetets joniseringsläge vid denna ålder: det ultravioletta ljuset som avges från dessa galaxer borde inte nå oss i ett "neutralt" universum, dvs. innan återjonisering inträffade . Jaget efter fler sådana galaxer är nu på väg för att klargöra hur övergången från de mörka åldrarna skedde!
Ursprungskälla: ESO News Release
