Teleskop Subaru wykrył "nagłe" galaktyki wczesnego Wszechświata

Kolorowa kompozycja fotografii siedmiu galaktyk LAE znalezionych przez naukowców korzystających z Teleskopu Subaru. Galaktyki pojawiły się nagle 13,1 miliarda lat temu. Zdjęcia reprezentują kombinację obserwacji w trzech filtrach. LAE to czerwone obiekty leżące pomiędzy białymi liniami. Ich barwa jest efektem poczerwienienia zachodzącego na skutek kosmologicznej ekspansji Wszechświata. Źródło: ICRR, University of Tokyo; NAOJ

Astronomowie obserwujący niebo przy pomocy Teleskopu Subaru w ramach przeglądu Subaru Ultra-Deep Survey w poszukiwaniu m.in. źródeł emitujących na fali Lyman-alfa mogli spojrzeć „w przeszłość” na ponad 13 miliardów lat. Znaleźli przy tym siedem galaktyk bardzo wczesnego Wszechświata, które musiały powstać mniej więcej 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zespół kierowany przez Akira Konno i Masami Ouchi z Uniwersytetu w Tokio szukał szczególnego typu galaktyk zwanych emiterami Lyman-alfa (LAE), które mogą nam pomóc w zrozumieniu roli, jaką te i podobne obiekty odgrywały w zdarzeniu znanym jako “kosmiczna rejonizacja” (lub wtórna jonizacja).

Galaktyki LAE są rozświetlane przez silne wzbudzenia atomów wodoru, czyli promieniowanie Lyman-alfa. Odkrycie siedmiu takich LAE w odległości 13,1 miliarda lat świetlnych zdaje się wskazywać na to, że galaktyki pojawiały się dość nagle w bardzo młodym Wszechświecie.

Wszechświat narodził się w Wielkim Wybuchu jakieś 13,8 miliarda lat temu. W swych początkach był wypełniony gorącą "zupą" nieobojętnej elektrycznie materii - naładowanych protonów i elektronów. Nowo narodzony Wszechświat rozszerzał się, a jego temperatura równomiernie spadała. Gdy liczył już sobie około 400 000 lat, ochłodził się na tyle, że możliwe było łączenie się protonów i elektronów w neutralne atomy wodoru. To wydarzenie nosi nawę rekombinacji. Tuż po nim wczesny Wszechświat wypełnił się "mgłą" z nieświecących, neutralnych atomów.

W końcu z materii tej zaczęły się formować pierwsze gwiazdy i galaktyki, a ich światło ultrafioletowe zjonizowało (rozerwało ponownie na elektrony i protony) atomy neutralnego wodoru. Znów pojawiły się wolne protony i elektrony. Astronomowie nazywają to wydarzenie "kosmiczną erą rejonizacji" i sądzą, że zakończyła się ona około 12,8 miliarda lat temu, czyli około miliard lat po Wielkim Wybuchu. Dokładny czas tego wydarzenia - kiedy się zaczęło i jak długo trwało - to dziś jedno z najważniejszych pytań w astronomii.

Erę kosmicznej rejonizacji bada m.in. Teleskop Subaru i naukowcy szukający śladów wczesnych galaktyk LAE leżących w odległości około 13,1 miliarda lat świetlnych stąd. Choć już wcześniej Teleskop Hubble'a znalazł nawet bardziej odległe LAE, obecne odkrycie siedmiu takich obiektów jest z punktu widzenia obserwacji Subaru prawdziwym przełomem. Tak dalekie galaktyki nie są przede wszystkim łatwe do wykrycie, zatem w tym celu dla Subaru opracowano specjalny rodzaj filtru, który został zainstalowany na instrumencie Suprime-Cam i mógł obserwować te dalekie obiekty z czasem integracji wynoszącym aż 160 godzin. Pozwoliło to na uzyskanie ogromnej czułości obserwacji, a w rezultacie dostrzeżenie największej jak dotąd liczby odległych LAE.

Naukowcy spodziewali się znaleźć ich kilkadziesiąt. Z początku byli nieco rozczarowani odkryciem zaledwie siedmiu takich galaktyk. Ale zaraz potem zdali sobie sprawę, że oznacza to też, iż LAE około 13 miliardów lat temu pojawiły się w zasadzie nagle. A to dość ekscytujące odkrycie. To tak jakby Wszechświat i materia nagle rozjaśniły się w około 700-800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Co mogło to spowodować?

Według naukowców z zespołu jednym z powodów tego szybkiego pojawienia się obiektów LAE mogła być właśnie kosmiczna era rejonizacji. W epoce rejonizacji galaktyki LAE były ciemniejsze niż w rzeczywistości na skutek istnienia dużej ilości neutralnego wodoru. Na podstawie wyników obecnych badań naukowcy sugerują,  że wodorowa mgła zniknęła 13 miliardów lat temu i wówczas po raz pierwszy w historii LAE pojawiły się w „zasięgu naszego wzroku”.


Są jednak i inne możliwości – galaktyki te mogły na przykład stać się znacząco jaśniejsze niż dotąd na skutek tego, że emisja w linii Lyman-alfa była niezbyt silna w przypadku występowania w LAE obłoków zjonizowanego wodoru, które powodowały ucieczkę zjonizowanych atomów poza samą galaktykę.


Cały artykuł:

M. Ouchi et al., Accelerated Evolution of the Lyα Luminosity Function at z >~ 7 Revealed by the Subaru Ultra-deep Survey for Lyα Emitters at z = 7.3, ApJ 2014


Liczba odsłon: 1566