Billedkredit: ESO
Et team af astronomer med base i Hawaii har opdaget en fjern galakse 12,8 milliarder lysår væk, hvilket viser os hvordan universet så ud, da det kun var 900 millioner år gammelt. De fandt galaksen ved hjælp af et specielt kamera installeret på Canada-Frankrig-Hawaii-teleskopet, der søger efter fjerne objekter i en meget specifik lysfrekvens. Ved at afsløre denne galakse, der ligger i stjernebilledet Cetus, lige i nærheden af stjernen Mira, har teamet udviklet en ny metode til at opdage fjerne objekter, som skulle hjælpe fremtidige observatører med at se endnu længere ind i fortiden.
Med forbedrede teleskoper og instrumenter er observationer af ekstremt fjerntliggende og svage galakser blevet mulige, der indtil for nylig var astronomers drømme.
Et sådant objekt blev fundet af et team af astronomer [2] med et videfeltkamera installeret ved Canada-Frankrig-Hawaii-teleskopet ved Mauna Kea (Hawaii, USA) under en søgning efter ekstremt fjerne galakser. Betegnet “z6VDF J022803-041618”, det blev opdaget på grund af sin usædvanlige farve, idet den kun var synlig på billeder, der er opnået gennem et specielt optisk filterisolerende lys i et smalt nær-infrarødt bånd.
Et opfølgningsspektrum af dette objekt med FORS2 multimodusinstrumentet ved ESO Very Large Telescope (VLT) bekræftede, at det er en meget fjern galakse (rødskiftet er 6.17 [3]). Det ses som det var, da universet kun var omkring 900 millioner år gammelt.
z6VDF J022803-041618 er en af de fjerneste galakser, som der hidtil er opnået spektre for. Interessant nok blev det opdaget på grund af det lys, der udsendes af dets massive stjerner og ikke, som oprindeligt forventet, fra emission med brintgas.
En kort historie om det tidlige univers
De fleste forskere er enige om, at universet stammede fra en varm og ekstremt tæt starttilstand i en Big Bang. De seneste observationer viser, at denne afgørende begivenhed fandt sted for omkring 13.700 millioner år siden.
I løbet af de første få minutter blev der produceret enorme mængder brint og heliumkerner med protoner og neutroner. Der var også masser af frie elektroner, og i løbet af den følgende epoke var de utallige fotoner spredt fra disse og atomkernerne. På dette tidspunkt var universet fuldstændig uigennemsigtig.
Efter ca. 100.000 år var universet kølet ned til et par tusinde grader, og kernerne og elektronerne blev nu samlet til dannelse af atomer. Fotonerne blev derefter ikke længere spredt fra disse, og universet blev pludselig gennemsigtigt. Kosmologer omtaler dette øjeblik som ”rekombinationsepoken”. Mikrobølgebaggrundsstrålingen, som vi nu observerer fra alle retninger, viser tilstanden med stor ensartethed i universet på den fjerne epoke.
I den næste fase bevægede de oprindelige atomer - hvoraf over 99% var brint og helium - sammen og begyndte at danne enorme skyer, hvorfra stjerner og galakser senere opstod. Den første generation af stjerner og noget senere de første galakser og kvasarer [4] frembragte intensiv ultraviolet stråling. Denne stråling rejste dog ikke meget langt på trods af, at universet var blevet gennemsigtigt for længe siden. Dette skyldes, at de ultraviolette (korte bølgelængde) fotoner straks ville blive absorberet af hydrogenatomerne og "slå" elektronerne fra disse atomer, mens fotoner med længere bølgelængde kunne rejse meget længere. Den intergalaktiske gas blev således igen ioniseret i støt voksende sfærer omkring de ioniserende kilder.
På et øjeblik var disse sfærer blevet så store, at de overlappede fuldstændigt; dette benævnes ”epon af re-ionisering”. Indtil da blev den ultraviolette stråling optaget af atomerne, men universet blev nu også gennemsigtigt for denne stråling. Før kunne det ultraviolette lys fra de første stjerner og galakser ikke ses over store afstande, men nu syntes universet pludselig at være fuld af lyse genstande. Det er af denne grund, at tidsintervallet mellem epokerne af "rekombination" og "re-ionisering" omtales som "mørke aldre".
Hvornår blev afslutningen på "Dark Ages"?
Den nøjagtige epok af genionisering er genstand for aktiv debat blandt astronomer, men de nylige resultater fra jord- og rumobservationer indikerer, at ”mørke aldere” varede et par hundrede millioner år. Der er nu forskellige forskningsprogrammer i gang, der prøver at bestemme bedre, hvornår disse tidlige begivenheder skete. Til dette er det nødvendigt at finde og studere detaljeret de tidligste og dermed mest fjerne objekter i universet - og dette er en meget krævende observationsbestræbelse.
Lys dæmpes af kvadratet på afstanden og jo længere vi ser ud i rummet for at observere et objekt - og jo længere tilbage i tiden vi ser det - desto svagere ser det ud. Samtidig forskydes det svage lys mod det røde område af spektret på grund af universets udvidelse - jo større afstanden er, jo større er den observerede rødskift [3].
Lyman-alpha-emissionslinjen
Med jordbaserede teleskoper opnås de svageste detektionsgrænser ved observationer i den synlige del af spektret. Påvisning af meget fjerne genstande kræver derfor observationer af ultraviolette spektrale signaturer, der er blevet omskiftet til det synlige område. Normalt bruger astronomerne til denne rødskiftede Lyman-alpha-spektrale emissionslinje med hvilebølgelængde 121.6 nm; det svarer til fotoner, der udsendes af hydrogenatomer, når de skifter fra en ophidset tilstand til deres grundlæggende tilstand.
En åbenlys måde at søge efter de fjerneste galakser er derfor at søge efter Lyman-alfa-emission på de rødeste (længst) mulige bølgelængder. Jo længere bølgelængden af den observerede Lyman-alpha-linje er, jo større er rødskiftet og afstanden, og jo tidligere er den epoke, hvor vi ser galaksen, og jo tættere vi kommer mod det øjeblik, der markerede afslutningen på den ”mørke alder” ”.
CCD-detektorer, der bruges i astronomiske instrumenter (såvel som i kommercielle digitale kameraer) er følsomme over for lys med bølgelængder op til ca. 1000 nm (1? M), dvs. i det meget nær-infrarøde spektrale område ud over det rødeste lys, der kan blive opfattet af det menneskelige øje ved ca. 700-750 nm.
Den lyse nær-infrarøde nattehimmel
Der er imidlertid et andet problem for denne slags arbejde. Søgningen efter svage Lyman-alpha-emissioner fra fjerne galakser kompliceres af det faktum, at den jordbaserede atmosfære - gennem hvilken alle jordbaserede teleskoper skal se - også udsender lys. Dette er især tilfældet i den røde og næsten infrarøde del af spektret, hvor hundreder af diskrete emissionslinjer stammer fra hydroxylmolekylet (OH-radikalet), der er til stede i den øverste terrestriske atmosfære i en højde af cirka 80 km (se PR-foto 13a / 03).
Denne stærke emission, som astronomerne omtaler som ”himmelbaggrund”, er ansvarlig for svaghedsgrænsen, hvormed himmelobjekter kan detekteres med jordbaserede teleskoper ved næsten infrarøde bølgelængder. Imidlertid er der heldigvis spektrale intervaller med "lav OH-baggrund", hvor disse emissionslinjer er meget svagere, hvilket muliggør en svagere detektionsgrænse fra jordobservationer. To sådanne “mørkehimmelvinduer” er tydelige i PR-foto 13a / 03 i nærheden af bølgelængder på 820 og 920 nm.
I betragtning af disse aspekter er en lovende måde at søge effektivt efter de fjerneste galakser derfor at observere ved bølgelængder nær 920 nm ved hjælp af et optisk filter med smal bånd. Tilpasning af spektralbredden på dette filter til ca. 10 nm muliggør detektering af så meget lys fra himmelobjekterne som muligt, når det udsendes i en spektral linje, der matcher filteret, samtidig med at den ugunstige påvirkning af himmelemissionen minimeres.
Med andre ord, med et maksimum af lys indsamlet fra de fjerne objekter og et minimum af forstyrrende lys fra den jordiske atmosfære, er chancerne for at opdage de fjerne objekter optimale. Astronomerne taler om at "maksimere kontrasten" af objekter, der viser emissionslinjer på denne bølgelængde.
CFHT-søgningsprogrammet
Baseret på ovenstående betragtninger installerede et internationalt team af astronomer [2] et optisk filter med smal bånd centreret ved den næsten infrarøde bølgelængde 920 nm på CFH12K-instrumentet ved Canada-Frankrig-Hawaii-teleskopet på Mauna Kea (Hawaii, USA) at søge efter ekstremt fjerne galakser. CFH12K er et videfeltkamera, der bruges med hovedfokus for CFHT, og giver et synsfelt på ca. 30 x 40 arkmin2, noget større end fuldmåne [5].
Ved at sammenligne billeder af det samme himmelfelt taget gennem forskellige filtre, var astronomerne i stand til at identificere objekter, der forekommer relativt "lyse" i NB920-billedet og "svage" (eller endda ikke er synlige) i de tilsvarende billeder opnået gennem de andre filtre . Et slående eksempel er vist i PR Photo 13b / 03 - objektet i midten er godt synligt i 920nm-billedet, men slet ikke på de andre billeder.
Den mest sandsynlige forklaring på et objekt med en så usædvanlig farve er, at det er en meget fjern galakse, for hvilken den observerede bølgelængde af den stærke Lyman-alpha-emissionslinie er tæt på 920 nm på grund af rødskiftet. Alt lys, der udsendes af galaksen i bølgelængder, der er kortere end Lyman-alpha, absorberes stærkt af mellemliggende interstellar og intergalaktisk brintgas; dette er grunden til, at objektet ikke er synligt i alle de andre filtre.
VLT-spektret
For at lære den sande natur af dette objekt, er det nødvendigt at udføre en spektroskopisk opfølgning ved at observere dets spektrum. Dette blev opnået med FORS 2 multimodusinstrumentet på 8,2 m VLT YEPUN-teleskopet ved ESO Paranal Observatory. Denne facilitet giver en perfekt kombination af moderat spektral opløsning og høj følsomhed i det røde for denne slags meget krævende observation. Det resulterende (svage) spektrum er vist i PR Foto 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 viser en sporing af det endelige (“rensede”) spektrum af objektet efter ekstraktion fra billedet vist i PR Photo 13c / 03. Én bred emissionslinje registreres tydeligt (til venstre for midten; forstørret i indsatsen). Den er asymmetrisk og bliver nedtrykt på sin blå (venstre) side. Dette kombineret med det faktum, at der ikke registreres noget kontinuumlys til venstre for linjen, er en klar spektral signatur af Lyman-alpha-linjen: fotoner “blåere” end Lyman-alpha absorberes kraftigt af den gas, der findes i selve galaksen , og i det intergalaktiske medium langs synslinjen mellem Jorden og objektet.
De spektroskopiske observationer gjorde det derfor muligt for astronomerne entydigt at identificere denne linje som Lyman-alpha, og derfor bekræfte den store afstand (høj rødskift) af dette særlige objekt. Den målte rødskift er 6,17, hvilket gør dette objekt til en af de fjerneste galakser nogensinde detekteret. Den modtog betegnelsen “z6VDF J022803-041618” - den første del af dette noget uhåndterlige navn henviser til undersøgelsen, og den anden angiver placeringen af denne galakse på himlen.
Starlight i det tidlige univers
Imidlertid kom disse observationer ikke uden overraskelse! Astronomerne havde håbet (og forventet) at opdage Lyman-alpha-linjen fra objektet i midten af det spektrale vindue 920 nm. Mens Lyman-alpha-linjen blev fundet, var den imidlertid placeret på en noget kortere bølgelængde.
Det var således ikke Lyman-alpha-emissionen, der fik denne galakse til at være "lys" i det smalle bånd (NB920) -billede, men "kontinuum" -emission ved bølgelængder længere end Lyman-alpha. Denne stråling er meget svagt synlig som en vandret, diffus linje i PR Photo 13c / 03.
En konsekvens er, at den målte rødskift på 6,17 er lavere end den oprindeligt forudsagte rødskift på ca. 6,5. En anden er, at z6VDF J022803-041618 blev opdaget af lys fra dets massive stjerner ("kontinuummet") og ikke af emission fra brintgas (Lyman-alpha-linjen).
Denne interessante konklusion er af særlig interesse, da den viser, at det i princippet er muligt at detektere galakser i denne enorme afstand uden at skulle stole på Lyman-alpha-emissionslinjen, som måske ikke altid er til stede i spektre for de fjerne galakser. Dette vil give astronomerne et mere komplet billede af galakspopulationen i det tidlige univers.
Desuden vil observation af flere og flere af disse fjerne galakser hjælpe med til bedre at forstå universeringens ioniseringstilstand i denne tidsalder: det ultraviolette lys, der udsendes af disse galakser, skulle ikke nå os i et "neutralt" univers, dvs. før re-ionisering skete . Jakten på flere sådanne galakser er nu klar til at afklare, hvordan overgangen fra den mørke alder skete!
Original kilde: ESO News Release
