Το ισχυρό τηλεσκόπιο Subaru στη Χαβάη βρήκε τον πιο μακρινό γαλαξία που έχει δει ποτέ, βρίσκεται 12,88 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά - αυτό είναι μόνο 780 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Η παρατήρηση αντικειμένων αυτού του απομακρυσμένου είναι εξαιρετικά δύσκολη, όχι μόνο λόγω των μεγάλων αποστάσεων που εμπλέκονται, αλλά επειδή μεγάλο μέρος του Σύμπαντος επισκιάστηκε πίσω από ουδέτερο υδρογόνο. Μόνο τότε τα αστέρια άρχισαν να καθαρίζουν αυτό το ουδέτερο υδρογόνο, καθιστώντας το Σύμπαν διαφανές.
Οι αστρονόμοι που χρησιμοποιούν το τηλεσκόπιο Subaru στη Χαβάη έχουν κοιτάξει 60 εκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν από οποιονδήποτε άλλο αστρονόμο, για να βρουν τον πιο μακρινό γνωστό γαλαξία στο σύμπαν. Με αυτόν τον τρόπο, υποστηρίζουν το ρεκόρ της Subaru για την εύρεση των πιο απομακρυσμένων και πρώιμων γνωστών γαλαξιών. Η πιο πρόσφατη ανακάλυψή τους είναι ένας γαλαξίας που ονομάζεται I0K-1 που βρίσκεται τόσο μακριά που οι αστρονόμοι το βλέπουν όπως εμφανίστηκε πριν από 12,88 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτή η ανακάλυψη, βασισμένη σε παρατηρήσεις του Masanori Iye του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας (NAOJ), του Kazuaki Ota του Πανεπιστημίου του Τόκιο, του Nobunari Kashikawa του NAOJ και άλλων, δείχνει ότι οι γαλαξίες υπήρχαν μόνο 780 εκατομμύρια χρόνια μετά την ύπαρξη του σύμπαντος περίπου 13,66 δισεκατομμύρια χρόνια πριν ως μια καυτή σούπα στοιχειωδών σωματιδίων.
Για να ανιχνεύσουν το φως από αυτόν τον γαλαξία, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν την κάμερα Suprime-Cam του τηλεσκοπίου Subaru εξοπλισμένη με ειδικό φίλτρο για να αναζητήσουν υποψήφιους απομακρυσμένους γαλαξίες. Βρήκαν 41.533 αντικείμενα, και από αυτούς εντοπίστηκαν δύο υποψήφιοι γαλαξίες για περαιτέρω μελέτη χρησιμοποιώντας το Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) στο Subaru. Διαπίστωσαν ότι το IOK-1, το πιο φωτεινό από τα δύο, έχει μια κόκκινη μετατόπιση 6,964, επιβεβαιώνοντας την απόσταση των 12,88 δισεκατομμυρίων ετών φωτός.
Η ανακάλυψη προκαλεί στους αστρονόμους να προσδιορίσουν ακριβώς τι συνέβη μεταξύ 780 και 840 εκατομμυρίων ετών μετά το Big Bang. Το IOK-1 είναι ένας από τους δύο μόνο γαλαξίες στη νέα μελέτη που θα μπορούσε να ανήκει σε αυτήν την μακρινή εποχή. Δεδομένου του αριθμού των γαλαξιών που έχουν ανακαλυφθεί από 840 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, η ερευνητική ομάδα περίμενε να βρει έως και έξι γαλαξίες σε αυτήν την απόσταση. Η συγκριτική σπανιότητα αντικειμένων όπως το IOK-1 σημαίνει ότι το σύμπαν πρέπει να έχει αλλάξει τα 60 εκατομμύρια χρόνια που χωρίζουν τις δύο εποχές.
Η πιο συναρπαστική ερμηνεία του τι συνέβη είναι ότι βλέπουμε ένα γεγονός γνωστό στους αστρονόμους ως την επανένωση του σύμπαντος. Σε αυτήν την περίπτωση, 780 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν είχε ακόμα αρκετό ουδέτερο υδρογόνο για να εμποδίσει την άποψή μας για τους νέους γαλαξίες απορροφώντας το φως που παράγεται από τα καυτά νεαρά αστέρια τους. Εξήντα εκατομμύρια χρόνια αργότερα, υπήρχαν αρκετά καυτά νεαρά αστέρια για να ιονίσουν το υπόλοιπο ουδέτερο υδρογόνο, καθιστώντας το σύμπαν διαφανές και επιτρέποντάς μας να δούμε τα αστέρια τους.
Μια άλλη ερμηνεία των αποτελεσμάτων λέει ότι υπήρχαν λιγότεροι μεγάλοι και φωτεινοί νέοι γαλαξίες 780 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang από 60 εκατομμύρια χρόνια αργότερα. Σε αυτήν την περίπτωση, το μεγαλύτερο μέρος της επανένωσης θα είχε πραγματοποιηθεί νωρίτερα από 12,88 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Ανεξάρτητα από το ποια ερμηνεία επικρατεί τελικά, η ανακάλυψη σηματοδοτεί ότι οι αστρονόμοι ανασκάπτουν τώρα φως από τους «Σκοτεινούς Αιώνες» του σύμπαντος. Αυτή είναι η εποχή που δημιουργήθηκαν οι πρώτες γενιές αστεριών και γαλαξιών, και μια εποχή που οι αστρονόμοι δεν μπόρεσαν να παρατηρήσουν μέχρι τώρα.
ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ:
Αρχαιολογία του πρώιμου σύμπαντος με χρήση ειδικών φίλτρων
Οι νεογέννητοι γαλαξίες περιέχουν αστέρια με ένα ευρύ φάσμα μαζών. Τα βαρύτερα αστέρια έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες και εκπέμπουν υπεριώδη ακτινοβολία που θερμαίνει και ιονίζει κοντινό αέριο. Καθώς το αέριο ψύχεται εκπέμπει υπερβολική ενέργεια έτσι ώστε να μπορεί να επιστρέψει σε ουδέτερη κατάσταση. Σε αυτήν τη διαδικασία, το υδρογόνο θα εκπέμπει πάντα φως στα 121,6 νανόμετρα, που ονομάζεται γραμμή Lyman-alpha. Κάθε γαλαξίας με πολλά καυτά αστέρια θα πρέπει να λάμπει έντονα σε αυτό το μήκος κύματος. Εάν τα αστέρια σχηματίζονται ταυτόχρονα, τα πιο φωτεινά αστέρια θα μπορούσαν να παράγουν εκπομπές Lyman-alpha για 10 έως 100 εκατομμύρια χρόνια.
Για να μελετήσουν γαλαξίες όπως το IOK-1 που υπάρχουν σε πρώιμους χρόνους στο σύμπαν, οι αστρονόμοι πρέπει να αναζητήσουν το φως Lyman-alpha που τεντώνεται και μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος καθώς το σύμπαν επεκτείνεται. Ωστόσο, σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 700 νανόμετρα, οι αστρονόμοι πρέπει να αντιμετωπίσουν τις εκπομπές προσκηνίου από μόρια ΟΗ στην ατμόσφαιρα της Γης που παρεμβαίνουν σε αχνές εκπομπές από μακρινά αντικείμενα.
Για να ανιχνεύσει το αχνό φως από μακρινούς γαλαξίες, η ερευνητική ομάδα είχε παρατηρήσει σε μήκη κύματος όπου η ατμόσφαιρα της Γης δεν λάμπει πολύ, μέσω παραθύρων στα 711, 816 και 921 νανόμετρα. Αυτά τα παράθυρα αντιστοιχούν στις εκτοξευμένες εκπομπές Lyman-alpha από γαλαξίες με μετακινήσεις 4,8, 5,7 και 6,6, αντίστοιχα. Αυτοί οι αριθμοί δείχνουν πόσο μικρότερο συγκρίθηκε το σύμπαν τώρα και αντιστοιχούν σε 1,26 δισεκατομμύρια χρόνια, 1,01 δισεκατομμύρια χρόνια και 840 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Αυτό είναι σαν να κάνουμε αρχαιολογία του πρώιμου σύμπαντος με συγκεκριμένα φίλτρα που επιτρέπουν στους επιστήμονες να δουν σε διαφορετικά στρώματα μιας ανασκαφής.
Για να αποκτήσει τα εντυπωσιακά νέα αποτελέσματα, η ομάδα έπρεπε να αναπτύξει ένα φίλτρο ευαίσθητο στο φως με μήκη κύματος μόνο περίπου 973 νανόμετρα, το οποίο αντιστοιχεί στην εκπομπή άλφα Lyman σε μια κόκκινη μετατόπιση του 7.0. Αυτό το μήκος κύματος βρίσκεται στο όριο των σύγχρονων CCD, τα οποία χάνουν ευαισθησία σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 1000 νανόμετρα. Αυτό το φίλτρο αυτού του είδους, που ονομάζεται NB973, χρησιμοποιεί τεχνολογία πολυστρωματικής επίστρωσης και χρειάστηκε περισσότερα από δύο χρόνια για να αναπτυχθεί. Όχι μόνο το φίλτρο έπρεπε να περάσει φως με μήκη κύματος μόνο περίπου 973 νανόμετρα, αλλά έπρεπε επίσης να καλύψει ομοιόμορφα ολόκληρο το οπτικό πεδίο της κύριας εστίασης του τηλεσκοπίου. Η ομάδα συνεργάστηκε με μια εταιρεία, Asahi Spectra Co.Ltd, για να σχεδιάσει ένα πρωτότυπο φίλτρο για χρήση με την Κάμερα Faint Object της Subaru και στη συνέχεια εφάρμοσε αυτήν την εμπειρία στην κατασκευή του φίλτρου για το Suprime-Cam.
Οι παρατηρήσεις
Οι παρατηρήσεις με το φίλτρο NB973 πραγματοποιήθηκαν την άνοιξη του 2005. Μετά από περισσότερες από 15 ώρες χρόνου έκθεσης, τα ληφθέντα δεδομένα έφτασαν σε περιορισμένο μέγεθος 24,9. Υπήρχαν 41.533 αντικείμενα σε αυτήν την εικόνα, αλλά μια σύγκριση με εικόνες που ελήφθησαν σε άλλα μήκη κύματος έδειξε ότι μόνο δύο από τα αντικείμενα ήταν φωτεινά μόνο στην εικόνα NB973. Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι μόνο αυτά τα δύο αντικείμενα θα μπορούσαν να είναι γαλαξίες σε μια κόκκινη μετατόπιση του 7.0. Το επόμενο βήμα ήταν να επιβεβαιώσετε την ταυτότητα των δύο αντικειμένων, το IOK-1 και το IOK-2, και η ομάδα τα παρατήρησε με την Κάμερα και το Φασματογράφο Faint Object (FOCAS) στο τηλεσκόπιο Subaru. Μετά από 8,5 ώρες χρόνου έκθεσης, η ομάδα μπόρεσε να αποκτήσει ένα φάσμα γραμμής εκπομπών από το φωτεινότερο από τα δύο αντικείμενα, IOK-1. Το φάσμα του έδειξε ένα ασύμμετρο προφίλ που είναι χαρακτηριστικό της εκπομπής Lyman-alpha από έναν μακρινό γαλαξία. Η γραμμή εκπομπών επικεντρώθηκε σε μήκος κύματος 968,2 νανόμετρα (κόκκινη μετατόπιση 6,964), που αντιστοιχεί σε απόσταση 12,88 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και χρόνο 780 εκατομμυρίων ετών μετά το Big Bang.
Η ταυτότητα του δεύτερου υποψηφίου γαλαξία
Τρεις ώρες του χρόνου παρατήρησης δεν απέδωσαν πειστικά αποτελέσματα για τον προσδιορισμό της φύσης του IOK-2. Η ερευνητική ομάδα έχει αποκτήσει έκτοτε περισσότερα δεδομένα που τώρα αναλύονται. Είναι πιθανό το IOK-2 να είναι ένας άλλος μακρινός γαλαξίας ή να είναι ένα αντικείμενο με μεταβλητή φωτεινότητα. Για παράδειγμα, ένας γαλαξίας με μια σουπερνόβα ή μια μαύρη τρύπα καταπίνει ενεργά υλικό που μόλις εμφανίστηκε να φαίνεται φωτεινό κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων με το φίλτρο NB973. (Οι παρατηρήσεις στα άλλα φίλτρα έγιναν ένα έως δύο χρόνια νωρίτερα.)
Το βαθύ πεδίο Subaru
Το τηλεσκόπιο Subaru είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την αναζήτηση των πιο απομακρυσμένων γαλαξιών. Από όλα τα τηλεσκόπια κατηγορίας 8 έως 10 μέτρων στον κόσμο, είναι το μόνο με δυνατότητα τοποθέτησης κάμερας σε πρωταρχική εστίαση. Η κύρια εστίαση, στην κορυφή του σωλήνα τηλεσκοπίου, έχει το πλεονέκτημα ενός ευρέως οπτικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, το Subaru κυριαρχεί σήμερα στη λίστα των πιο μακρινών γνωστών γαλαξιών. Πολλά από αυτά βρίσκονται σε μια περιοχή του ουρανού προς την κατεύθυνση του αστερισμού Coma Berenices που ονομάζεται Subaru Deep Field που η ερευνητική ομάδα επέλεξε για έντονη μελέτη σε πολλά μήκη κύματος.
Η πρώιμη ιστορία του σύμπαντος και ο σχηματισμός των πρώτων γαλαξιών
Για να θέσουμε αυτό το επίτευγμα Subaru σε πλαίσιο, είναι σημαντικό να αναθεωρήσουμε τι γνωρίζουμε για την ιστορία του πρώιμου σύμπαντος. Το σύμπαν ξεκίνησε με το Big Bang, το οποίο συνέβη πριν από περίπου 13,66 δισεκατομμύρια χρόνια σε ένα φλογερό χάος ακραίας θερμοκρασίας και πίεσης. Μέσα στα πρώτα τρία λεπτά του, το βρεφικό σύμπαν επεκτάθηκε γρήγορα και ψύχθηκε, παράγοντας τους πυρήνες ελαφρών στοιχείων όπως το υδρογόνο και το ήλιο, αλλά πολύ λίγοι πυρήνες βαρύτερων στοιχείων. Σε 380.000 χρόνια, τα πράγματα είχαν κρυώσει σε θερμοκρασία περίπου 3.000 βαθμών. Σε αυτό το σημείο, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ουδέτερο υδρογόνο.
Με τα ηλεκτρόνια τώρα συνδεδεμένα με ατομικούς πυρήνες, το φως θα μπορούσε να ταξιδέψει στο διάστημα χωρίς να διασκορπιστεί από ηλεκτρόνια. Μπορούμε πραγματικά να ανιχνεύσουμε το φως που διαπέρασε το σύμπαν τότε. Ωστόσο, λόγω του χρόνου και της απόστασης, έχει τεντωθεί με συντελεστή 1.000, γεμίζοντας το σύμπαν με ακτινοβολία που ανιχνεύουμε ως μικροκύματα (που ονομάζεται Κοσμικό φούρνο μικροκυμάτων) Το διαστημικό σκάφος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) μελέτησε αυτήν την ακτινοβολία και τα δεδομένα της επέτρεψαν στους αστρονόμους να υπολογίσουν την ηλικία του σύμπαντος σε περίπου 13,66 δισεκατομμύρια χρόνια. Επιπλέον, αυτά τα δεδομένα υπονοούν την ύπαρξη πραγμάτων όπως η σκοτεινή ύλη και η ακόμη πιο αινιγματική σκοτεινή ενέργεια.
Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι τα πρώτα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, το σύμπαν συνέχισε να κρυώνει και ότι η πρώτη γενιά αστεριών και γαλαξιών σχηματίστηκε στις πυκνότερες περιοχές της ύλης και της σκοτεινής ύλης. Αυτή η περίοδος είναι γνωστή ως «Σκοτεινές Εποχές» του σύμπαντος. Δεν υπάρχουν ακόμη άμεσες παρατηρήσεις αυτών των γεγονότων, έτσι οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν προσομοιώσεις υπολογιστών για να συνδέσουν τις θεωρητικές προβλέψεις και τα υπάρχοντα στοιχεία παρατήρησης για να κατανοήσουν τον σχηματισμό των πρώτων αστεριών και γαλαξιών.
Μόλις γεννηθούν φωτεινά αστέρια, η υπεριώδης ακτινοβολία τους μπορεί να ιονίσει τα κοντινά άτομα υδρογόνου χωρίζοντάς τα πίσω σε ξεχωριστά ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Σε κάποιο σημείο, υπήρχαν αρκετά φωτεινά αστέρια για να ιονίσουν σχεδόν όλο το ουδέτερο υδρογόνο στο σύμπαν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επαναπροσδιορισμός του σύμπαντος. Η εποχή του ιονικοποίησης σηματοδοτεί το τέλος των Σκοτεινών Εποχών του σύμπαντος. Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου στο διάστημα μεταξύ των γαλαξιών ιονίζεται.
Εντοπισμός της εποχής του ιονισμού
Οι αστρονόμοι έχουν εκτιμήσει ότι ο ιονικοποίηση έγινε περίπου 290 έως 910 εκατομμύρια χρόνια μετά τη γέννηση του σύμπαντος. Η επισήμανση της έναρξης και του τέλους της εποχής του ιονισμού είναι ένα από τα σημαντικότερα βήματα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται το σύμπαν και είναι ένας τομέας έντονης μελέτης στην κοσμολογία και την αστροφυσική.
Φαίνεται ότι καθώς κοιτάζουμε μακρύτερα στο παρελθόν, οι γαλαξίες γίνονται όλο και πιο σπάνιοι. Ο αριθμός των γαλαξιών με ερυθρή μετατόπιση 7,0 (που αντιστοιχεί σε χρόνο περίπου 780 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang) φαίνεται μικρότερος από ό, τι βλέπουν οι αστρονόμοι σε μια κόκκινη αλλαγή 6,6 (που αντιστοιχεί σε χρόνο περίπου 840 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang) . Δεδομένου ότι ο αριθμός των γνωστών γαλαξιών σε μια κόκκινη μετατόπιση του 7.0 είναι ακόμα μικρός (μόνο ένας!) Είναι δύσκολο να γίνουν ισχυρές στατιστικές συγκρίσεις. Ωστόσο, είναι πιθανό ότι η μείωση του αριθμού των γαλαξιών σε υψηλότερη ερυθρή μετατόπιση οφείλεται στην παρουσία ουδέτερου υδρογόνου που απορροφά την εκπομπή Lyman-άλφα από τους γαλαξίες σε υψηλότερη ερυθρή μετατόπιση. Εάν περαιτέρω έρευνα μπορεί να επιβεβαιώσει ότι η πυκνότητα αριθμών παρόμοιων γαλαξιών μειώνεται μεταξύ μιας κόκκινης μετατόπισης 6,6 και 7,0, θα μπορούσε να σημαίνει ότι το IOK-1 υπήρχε κατά την εποχή της επανένωσης του σύμπαντος.
Αυτά τα αποτελέσματα θα δημοσιευθούν στις 14 Σεπτεμβρίου 2006, έκδοση του Nature.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Subaru
