Po raz pierwszy dostrzeżono ciemne galaktyki z wczesnego Wszechświata

Ciemne galaktyki dostrzeżone po raz pierwszy

To zdjęcie głębokiego pola pokazuje obszar nieba wokół kwazara HE0109-3518. Kwazar oznaczono czerwonym okręgiem, niedaleko centrum fotografii. Energetyczne promieniowanie kwazara powoduje świecenie ciemnych galaktyk, pomagając astronomom zrozumieć zakryte wczesne stadia formowania galaktyk. Słabe obrazy poświaty od 12 ciemnych galaktyk wskazane są niebieskimi okręgami. Ciemne galaktyki są praktycznie pozbawione gwiazd, wobec czego nie emitują światła, które mogłyby zarejestrować teleskopy. Czyni je to teoretycznie niemożliwymi do zaobserwowania, chyba że zostaną rozświetlone zewnętrznym źródłem światła, takim jak kwazar tła.

Zaprezentowane zdjęcie obejmuje obserwacje z Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), opracowane tak, aby wykryć fluorescencyjne emisje powstałe na skutek oświetlenia ciemnych galaktyk przez kwazar. Nałożone są też kolorowe dane z przeglądu Digitized Sky Survey 2.

ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Ciemne galaktyki – wczesna faza formowania się galaktyk, przewidywana teoretycznie, ale do tej pory nie obserwowana – zostały po raz pierwszy dostrzeżone. Obiekty te są bogatymi w gaz galaktykami bez gwiazd. Dzięki należącemu do ESO Bardzo Dużemu Teleskopowi (VLT) międzynarodowy zespół wykrył te nieuchwytne obiekty obserwując je rozświetlone przez kwazar.

Ciemne galaktyki to małe, bogate w gaz galaktyki we wczesnym Wszechświecie, które są bardzo niewydajne w formowaniu gwiazd. Ich istnienie jest przewidywane przez teorie formowania galaktyk i uważa się, że stanowią bloki budulcowe dzisiejszych jasnych, wypełnionych gwiazdami galaktyk. Astronomowie sądzą, że dla dużych galaktyk mogły stanowić źródło większości gazu, z którego potem uformowały się gwiazdy istniejące obecnie.

Ponieważ zasadniczo brak w nich gwiazd, ciemne galaktyki nie emitują wiele światła, co czyni je bardzo trudnymi do wykrycia. Od lat astronomowie próbowali rozwijać nowe techniki obserwacji, aby potwierdzić istnienie ciemnych galaktyk. Małe absorpcje w widmach źródeł tła dały wskazówkę co do istnienia ciemnych galaktyk. Ale w prezentowanych tutaj badaniach po raz pierwszy ciemne galaktyki dostrzeżono bezpośrednio.

„Nasze podejście do problemu wykrywania ciemnych galaktyk opiera się na oświetleniu ich jasnym światłem” tłumaczy Simon Lilly (ETH Zurich, Szwajcaria), współautor publikacji. „Szukaliśmy fluorescencyjnego świecenia gazu w ciemnych galaktykach, rozświetlonego światłem ultrafioletowym od sąsiedniego, bardzo jasnego kwazara. Światła kwazara spowodowało świecenie ciemnych galaktyk dzięki procesowi podobnemu do znanego z ubrań oświetlonych lampami ultrafioletowymi w nocnym klubie.” [1]

Naukowcy wykorzystali wielką powierzchnię zbierającą i czułość Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) oraz serię bardzo długich ekspozycji, aby wykryć ekstremalnie słabą poświatę fluorescencyjną od ciemnych galaktyk. Skorzystali z instrumentu FORS2, aby wykonać mapę obszaru nieba wokół jasnego kwazara [2] HE 0109-3518, poszukując ultrafioletowego światła emitowanego przez gaz wodorowy, gdy jest on wystawiony na intensywne promieniowanie. Z powodu rozszerzania się Wszechświata światło tło jest w rzeczywistości obserwowano w odcieniu fioletu, gdy dociera do VLT. [3]

Po kilku latach prób wykrycia emisji fluorescencyjnej od ciemnych galaktyk, nasze wyniki pokazują potencjał tej metody odkrywania i badania tych fascynujących i dotychczas niewidzialnych obiektów” mówi Sebastiano Cantalupo (University of California, Santa Cruz), główny autor badań.

Zespół wykrył prawie 100 gazowych obiektów, które są położone w odległości kilku milionów lat świetlnych od kwazara. Po bardzo starannych analizach, przeprowadzonych w celu wykluczenia obiektów, w których emisja może być spowodowana wewnętrznymi procesami formowania gwiazd w galaktykach, a nie światłem pochodzącym od kwazara, naukowcy ostatecznie zawęzili listę do 12 obiektów. Są to obecnie najbardziej przekonujące identyfikacje ciemnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie.

Astronomowie byli także w stanie ustalić niektóre własności ciemnych galaktyk. Oszacowali, że masa gazu w nich zawartego to około miliard mas Słońca, co jest typowe dla bogatych w gaz, małomasywnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Udało się także oszacować efektywność procesów powstawania gwiazd, które okazały się stłumione o czynnik ponad 100 względem typowych galaktyk, w którym formują się gwiazdy, na podobnym etapie kosmicznej historii. [4]

„Nasze obserwacje za pomocą VLT dostarczyły dowodu na istnienie zwartych i izolowanych ciemnych obłoków. Dzięki tym badaniom dokonaliśmy istotnego kroku w kierunku ujawniania i zrozumienia niejasnych wczesnych etapów formowania się galaktyk i tego w jaki sposób galaktyki pozyskały swój gaz” podsumowuje Sebastiano Cantalupo.

Spektrograf MUSE, który będzie testowany na VLT w 2013 roku, będzie bardzo potężnym narzędziem do badania tego typu obiektów.

Uwagi

[1] Fluorescencja to emisja światła przez substancję oświetloną źródłem światła. W większości przypadków emitowane światło ma dłuższe fale niż światło źródłowe. Na przykład świetlówki przekształcają promieniowanie ultrafioletowe – niewidoczne dla nas – w światło optyczne. Fluorescencja pojawia się naturalnie w niektórych związkach, takich jak skały lub minerały, ale może także zostać dodana celowo, tak jak w detergentach zawierających fluorescencyjne środki chemiczne, aby białe ubrania wydawały się jaśniejsze w normalnym świetle.

[2] Kwazary to bardzo jasne, odległe galaktyki, co do których uważa się, że są zasilane przez supermasywne czarne dziury w swoich centrach. Ich jasność czyni je mocnymi reflektorami, które pomagają rozświetlić otaczający obszar, umożliwiając badania ery, w której pierwsze gwiazdy i galaktyki formowały się z pierwotnego gazu.

[3] Emisja od wodoru znana jest jako promieniowanie Lyman-alfa I jest produkowana przez elektrony w atomach wodoru przechodzące z poziomu drugiego na najniższy poziom energetyczny. Jest to rodzaj promieniowania ultrafioletowego. Ponieważ jednak Wszechświat rozszerza się, długość fal światła od obiektów zostaje rozciągnięta gdy przemierza ono przestrzeń. Im dalej światło musi podróżować, tym bardziej staje się rozciągnięte. Ponieważ czerwony ma najdłuższe fale w zakresie widzialnym dla naszych oczu, proces ten nazywany jest „przesunięciem ku czerwieni” – stąd pochodzi też angielski termin „redshift”, używany przez astronomów również w języku polskim. Kwazar HE 0109-3518 jest położony na redshifcie z = 2,4, a ultrafioletowe światło od ciemnych galaktyk jest przesunięcie w zakres widma światła widzialnego. Wąskopasmowy filtr został specjalnie zaprojektowany do wyizolowania specyficznej długości fali światła emisji fluorescencyjnej przesuniętej ku czerwieni. Filtr ma swoje centrum w okolicach 414,5 nanometra, aby uchwycić emisję Lyman-alfa przesuniętą ku czerwieni o z=2,4 (czyli do odcienia fioletu) i ma szerokość zaledwie 4 nanometrów.

[4] Efektywność formowania gwiazd to masa nowo powstałych gwiazd względem masy dostępnego gazu. Okazuje się, że obiekty te potrzebowałyby ponad 100 miliardów lat, aby zmienić swój gaz w gwiazdy.  Wynik ten jest zgodny z najnowszymi badaniami teoretycznymi, które sugerują, że bogate w gaz małomasywne halo na dużych przesunięciach ku czerwieni, mogą mieć bardzo słabą wydajność procesów formowania gwiazd na skutek małej zawartości metali.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule "Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4", Cantalupo et al., który ukaże się w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Skład zespołu badawczego: Sebastiano Cantalupo (University of California, Santa Cruz, USA), Simon J. Lilly (ETH Zurich, Szwajcaria) oraz Martin G. Haehnelt (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge, Wielka Brytania).

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1974