Det kraftfulde Subaru-teleskop i Hawai’i har fundet den fjerneste galakse, der nogensinde er set, beliggende 12,88 milliarder lysår væk - dette er kun 780 millioner år efter Big Bang. Det er ekstremt vanskeligt at observere objekter på dette fjerne ikke kun på grund af de store involverede afstande, men fordi meget af universet blev skjult bag neutralt brint. Stjerner begyndte først derefter at fjerne dette neutrale brint, hvilket gjorde universet gennemsigtigt.
Astronomer, der bruger Subaru-teleskopet i Hawai’i, har set 60 millioner år længere tilbage i tiden end nogen andre astronomer for at finde den mest kendte galakse i universet. Dermed opretholder de Subaru's rekord for at finde de mest fjerneste og tidligste galakser kendt. Deres seneste opdagelse er af en galakse kaldet I0K-1, der ligger så langt væk, at astronomer ser den, da den så ud for 12,88 milliarder år siden.
Denne opdagelse, der er baseret på observationer foretaget af Masanori Iye fra National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), Kazuaki Ota fra University of Tokyo, Nobunari Kashikawa fra NAOJ, og andre indikerer, at galakser kun eksisterede 780 millioner år efter universets opståen for ca. 13,66 milliarder år siden som en varm suppe af elementære partikler.
For at opdage lyset fra denne galakse brugte astronomerne Subaru-teleskopets Suprime-Cam-kamera udstyret med et specielt filter til at lede efter fjerntliggende galakser. De fandt 41.533 objekter, og fra de identificerede to kandidatgalakser til yderligere undersøgelse ved hjælp af Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru. De fandt, at IOK-1, de lysere af de to, har en rødskift på 6.964, hvilket bekræfter deres afstand på 12,88 milliarder lysår.
Opdagelsen udfordrer astronomer til at bestemme nøjagtigt, hvad der skete mellem 780 og 840 millioner år efter Big Bang. IOK-1 er en af kun to galakser i den nye undersøgelse, der kunne høre til denne fjerne epoke. I betragtning af antallet af galakser, der er blevet opdaget fra 840 millioner år efter Big Bang, havde forskerteamet forventet at finde så mange som seks galakser i denne afstand. Den sammenlignende sjældenhed af objekter som IOK-1 betyder, at universet skal have ændret sig i løbet af de 60 millioner år, der adskiller de to epoker.
Den mest spændende fortolkning af, hvad der skete, er, at vi ser en begivenhed, der er kendt af astronomer som reionisering af universet. I dette tilfælde, 780 millioner år efter Big Bang, havde universet stadig tilstrækkeligt neutralt brint til at blokere vores syn på unge galakser ved at absorbere lyset produceret af deres varme unge stjerner. 60 millioner år senere var der nok varme unge stjerner til at ionisere det resterende neutrale brint, hvilket gjorde universet gennemsigtigt og gjorde det muligt for os at se deres stjerner.
En anden fortolkning af resultaterne siger, at der var færre store og lyse unge galakser 780 millioner år efter Big Bang end 60 millioner år senere. I dette tilfælde ville det meste af reoniseringen have fundet sted tidligere end for 12,88 milliarder år siden.
Uanset hvilken fortolkning, der endelig råder, signalerer opdagelsen, at astronomer nu udgraver lys fra universets ”mørke tid”. Dette er den epoke, da de første generationer af stjerner og galakser kom til, og en epoke, som astronomer først har været i stand til at observere.
BAGGRUNDSINFORMATION:
Arkæologi for det tidlige univers ved hjælp af specielle filtre
Nyfødte galakser indeholder stjerner med en lang række masser. Tyngre stjerner har højere temperaturer og udsender ultraviolet stråling, der opvarmer og ioniserer nærliggende gas. Når gassen afkøles, udstråler den overskydende energi væk, så den kan vende tilbage til en neutral tilstand. I denne proces vil brint altid udsende lys ved 121.6 nanometer, kaldet Lyman-alpha-linjen. Enhver galakse med mange varme stjerner skal skinne lyst ved denne bølgelængde. Hvis stjerner dannes på én gang, kunne de lyseste stjerner producere Lyman-alpha-emission i 10 til 100 millioner år.
For at studere galakser som IOK-1, der findes på tidlige tidspunkter i universet, må astronomer søge Lyman-alpha-lys, der strækkes og rødskiftes til længere bølgelængder, når universet udvides. Ved bølgelængder længere end 700 nanometer er astronomer imidlertid nødt til at beskæftige sig med forgrundsemissioner fra OH-molekyler i Jordens egen atmosfære, der forstyrrer svage emissioner fra fjerne objekter.
For at opdage det svage lys fra fjerne galakser havde forskerteamet observeret i bølgelængder, hvor Jordens atmosfære ikke glød meget gennem vinduer på 711, 816 og 921 nanometer. Disse vinduer svarer til den rødskiftede Lyman-alpha-emission fra galakser med rødskift på henholdsvis 4,8, 5,7 og 6,6. Disse tal angiver, hvor meget mindre universet blev sammenlignet med nu, og svarer til 1,26 milliarder år, 1,01 milliarder år og 840 millioner år efter Big Bang. Dette er som at lave arkæologi af det tidlige univers med særlige filtre, der giver forskere mulighed for at se i forskellige lag i en udgravning.
For at få deres spektakulære nye resultater måtte teamet kun udvikle et filter, der er følsomt for lys med bølgelængder, omkring 973 nanometer, hvilket svarer til Lyman alfa-emission ved en rødskift på 7,0. Denne bølgelængde er ved grænsen for moderne CCD'er, som mister følsomhed ved bølgelængder længere end 1000 nanometer. Dette ene af sin slags filter, kaldet NB973, bruger flerlagsbelægningsteknologi og tog mere end to år at udvikle. Ikke kun var filteret nødt til at passere lys med bølgelængder kun omkring 973 nanometer, men det måtte også dække ensartet hele synsfeltet for teleskopets primære fokus. Holdet arbejdede sammen med et firma, Asahi Spectra Co.Ltd, for at designe et prototype-filter, der skulle bruges med Subaru's Faint Object Camera, og anvendte derefter denne oplevelse til at fremstille filteret til Suprime-Cam.
Observationer
Observationer med NB973-filteret fandt sted i foråret 2005. Efter mere end 15 timers eksponeringstid nåede de opnåede data en begrænsende styrke på 24,9. Der var 41.533 objekter i dette billede, men en sammenligning med billeder taget med andre bølgelængder viste, at kun to af objekterne kun var lyse i NB973-billedet. Holdet konkluderede, at kun disse to objekter kunne være galakser med en rødskift på 7,0. Det næste trin var at bekræfte identiteten af de to objekter, IOK-1 og IOK-2, og teamet observerede dem med Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) på Subaru-teleskopet. Efter 8,5 timers eksponeringstid var teamet i stand til at få et spektrum af en emissionslinje fra den lysere af de to objekter, IOK-1. Dets spektrum viste en asymmetrisk profil, der er karakteristisk for Lyman-alfa-emission fra en fjern galakse. Emissionslinien var centreret ved en bølgelængde på 968,2 nanometer (rødskift 6,964), svarende til en afstand på 12,88 milliarder lysår og tid på 780 millioner år efter Big Bang.
Identiteten af den anden kandidatgalakse
Tre timers observationstid gav ingen konkrete resultater for at bestemme arten af IOK-2. Forskerteamet har siden indhentet flere data, der nu analyseres. Det er muligt, at IOK-2 kan være en anden fjern galakse, eller det kan være et objekt med variabel lysstyrke. F.eks. En galakse med en supernova eller et sort hul, der aktivt slukede materiale, der lige optrådte lyst under observationer med NB973-filteret. (Observationer i de andre filtre blev foretaget et til to år tidligere.)
Subaru Deep Field
Subaru-teleskopet er især velegnet til søgning efter de fjerneste galakser. Af alle de 8- til 10 meter lange teleskoper i verden er det den eneste med evnen til at montere et kamera med det primære fokus. Det primære fokus øverst på teleskoprøret har fordelen med et bredt synsfelt. Som et resultat dominerer Subaru i øjeblikket listen over de mest kendte galakser. Mange af disse er i en region af himlen i retning af stjernebilledet Coma Berenices kaldet Subaru Deep Field, som forskerteamet valgte til intens undersøgelse på mange bølgelængder.
Universets tidlige historie og dannelsen af de første galakser
For at sætte denne Subaru-præstation i kontekst er det vigtigt at gennemgå det, vi ved om historien om det tidlige univers. Universet begyndte med Big Bang, der fandt sted for omkring 13,66 milliarder år siden i et fyrigt kaos af ekstrem temperatur og pres. I løbet af de første tre minutter ekspanderede og afkøles spædbørnsuniverset, hvilket producerede kernerne af lette elementer som brint og helium, men meget få kerner af tungere elementer. I 380.000 år var tingene afkølet til en temperatur på omkring 3.000 grader. På det tidspunkt kunne elektroner og protoner kombineres til dannelse af neutralt brint.
Når elektroner nu er bundet til atomkerner, kunne lys rejse gennem rummet uden at blive spredt af elektroner. Vi kan faktisk registrere det lys, der gennemsyrede universet dengang. På grund af tid og afstand er det imidlertid blevet strakt med en faktor på 1.000 og fyldt universet med stråling, som vi registrerer som mikrobølger (kaldet den kosmiske mikrobølgebakgrund). Wilkinson-mikrobølge-anisotropi-probe (WMAP) rumfartøj studerede denne stråling, og dens data gjorde det muligt for astronomer at beregne universets alder på ca. 13,66 milliarder år. Derudover indebærer disse data eksistensen af sådanne ting som mørkt stof og den endnu mere gåtefulde mørke energi.
Astronomer tror, at universet i de første par hundrede millioner år efter Big Bang fortsatte med at køle ned, og at den første generation af stjerner og galakser dannede sig i de tætteste områder af stof og mørk stof. Denne periode er kendt som universets ”mørke tid”. Der er endnu ingen direkte observationer af disse begivenheder, så astronomer bruger computersimuleringer til at binde sammen teoretiske forudsigelser og eksisterende observationsbevis for at forstå dannelsen af de første stjerner og galakser.
Når lyse stjerner er født, kan deres ultraviolette stråling ionisere nærliggende hydrogenatomer ved at splitte dem tilbage i separate elektroner og protoner. På et tidspunkt var der nok lyse stjerner til at ionisere næsten alt det neutrale brint i universet. Denne proces kaldes reionisering af universet. Reioniseringens epoke signaliserer afslutningen på universets mørke aldre. I dag ioniseres det meste af brint i rummet mellem galakser.
Kortlægning af genoptagelsens epoke
Astronomer har estimeret, at reionisering forekom en gang mellem 290 og 910 millioner år efter universets fødsel. At kortlægge begyndelsen og slutningen af genoptagelsens epoke er en af de vigtige springbræt for at forstå, hvordan universet udvikler sig, og er et område med intens undersøgelse inden for kosmologi og astrofysik.
Det ser ud til, at når vi ser længere tilbage i tiden, bliver galakser sjældnere og sjældnere. Antallet af galakser med en rødskift på 7,0 (hvilket svarer til en tid omkring 780 millioner år efter Big Bang) synes mindre end hvad astronomer ser ved en rødskift på 6,6 (hvilket svarer til en tid omkring 840 millioner år efter Big Bang) . Da antallet af kendte galakser ved en rødskift på 7,0 stadig er lille (kun en!), Er det vanskeligt at foretage robuste statistiske sammenligninger. Det er imidlertid muligt, at faldet i antallet af galakser ved højere rødskift skyldes tilstedeværelsen af neutralt brint, der absorberer Lyman-alfa-emissionen fra galakser ved højere rødskift. Hvis yderligere forskning kan bekræfte, at antallet af densiteter af lignende galakser falder mellem en rødskift på 6,6 og 7,0, kan det betyde, at IOK-1 eksisterede under epoket af universets reionisering.
Disse resultater offentliggøres i 14. september 2006, udgaven af Nature.
Original kilde: Subaru News Release
