Wyglądająca staro galaktyka w młodym Wszechświecie

Gromada galaktyk Abell 1689 sfotografowana za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Kwadratem zaznaczono położenie galaktyki A1689-zD1, którą zbadano za pomocą teleskopów VLT oraz ALMA.
NASA; ESA; L. Bradley (Johns Hopkins University); R. Bouwens (University of California, Santa Cruz); H. Ford (Johns Hopkins University); G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

Jedna z najdalszych zaobserwowanych galaktyk umożliwiła astronomom wykrycie po raz pierwszy pyłu w tak odległym systemie formującym gwiazdy oraz ciekawego dowodu na błyskawiczną ewolucję galaktyk po Wielkim Wybuchu. Do najnowszych obserwacji wykorzystano ALMA, aby zarejestrować słaby blask od zimnego pyłu galaktyce A1689-zD1 oraz teleskop VLT, aby zmierzyć odległość do niej.

Zespół astronomów, którym kierował Darach Watson z Uniwersytetu Kopenhaskiego, wykorzystał Bardzo Duży Teleskop (VLT) i pracujący na nim instrument X-shooter, a także sieć radioteleskopów Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), do zaobserwowania jednej z najmłodszych i najbardziej odległych galaktyk. Badaczy zaskoczyło odkrycie znacznie bardziej wyewoluowanego systemu niż się spodziewali. Galaktyka ma ilość pyłu podobną do bardo dojrzałej galaktyki, takiej jak Droga Mleczna. Pył jest kluczowy dla życia, ponieważ pozwala na powstawanie planet, złożonych cząsteczek i zwykłych gwiazd.

Cel obserwacji naukowców nosi oznaczenie A1689-zD1 [1]. Można go dostrzec jedynie dzięki temu, że jasność obiektu jest wzmocniona dziewięciokrotnie przez soczewkowanie grawitacyjne poprzez spektakularną gromadę galaktyk Abell 1689, która znajduje się pomiędzy młoda galaktyką, a Ziemią. Bez tego wzmocnienia, blask tej bardzo słabej galaktyki byłby zbyt mały do zarejestrowania.

Obiekt A1689-zD1 widzimy w okresie, gdy Wszechświat miał zaledwie około 700 milionów lat – pięć procent swojego obecnego wieku [2]. Jest to stosunkowo mały system – znacznie mniej masywny i mniej jasny niż wiele innych obiektów z tego okresu Wszechświata, które wcześniej badano. Przez te cechy jest bardziej typowym przykładem galaktyki ze swoich czasów.

A1689-zD1 widzimy z czasów ery rejonizacji, gdy najwcześniejsze gwiazdy przyniosły kosmiczny świt, rozświetlając po raz pierwszy ogromny i przejrzysty Wszechświat i kończąc okres stagnacji ciemnych wieków. Spodziewano się, że obiekt będzie wyglądać tak, jak nowo utworzone systemy, ale galaktyka zaskoczyła obserwatorów swoją złożonością chemiczną i występowanie międzygwiazdowego pyłu.

„Po potwierdzeniu dystansu do galaktyki za pomocą VLT”, mówi Darach Watson, „stwierdziliśmy, że była ona wcześniej obserwowana przez ALMA. Nie spodziewaliśmy się dowiedzieć zbyt dużo, ale mogę zdradzić, że wszyscy byliśmy bardzo poruszeni, gdy okazało się, że ALMA nie tylko obserwowała obiekt, ale bez problemu go wykryła. Jednym z celów Obserwatorium ALMA jest odnajdywanie galaktyk we wczesnym Wszechświecie poprzez rejestrowanie emisji od ich chłodnego gazu i pyłu – i oto mamy taki przypadek!”

Badana galaktyka była uznawana za kosmiczne niemowlę, ale okazało się to przedwczesne założenie. W tym okresie powinna wykazywać brak cięższych pierwiastków chemicznych – czegokolwiek cięższego od wodoru i helu, a określanego przez astronomów jako metale. Metale są wytwarzane we wnętrzach gwiazd i rozprzestrzeniane daleko gdy gwiazd wybucha. Proces ten musi zostać powtórzony przez wiele gwiezdnych generacji, aby wytworzyć znaczącą ilość cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, tlen i azot.

Niespodziewanie galaktyka A1689-zD1 wydaje się emitować dużo promieniowania w dalekiej podczerwieni [3], co wskazuje, że już wyprodukowała wiele gwiazd i znaczące ilości metali oraz zawiera nie tylko pył, ale ilość pyłu do gazu jest podobna do tej poziomu występującego w znacznie bardziej rozwiniętych galaktykach.

„Mimo, że dokładne pochodzenie galaktycznego pyłu pozostaje nieznane,” wyjaśnia Darach Watson, „to nasze badania wskazują, że jego produkcja zachodzi bardzo szybko, w zaledwie 500 milionów lat po rozpoczęciu powstawania gwiazd we Wszechświecie – a to bardzo krótki przedział czasu w kosmologii, w porównaniu do faktu, że większość gwiazd istnieje przez miliardy lat.”

Wyniki wskazują, że A1689-zD1 konsekwentnie tworzy gwiazdy w umiarkowanym tempie od okresu 560 milionów po Wielkim Wybuchu, albo że bardzo szybko przeszła przez gwałtowny okres gwiazdotwórczy jeszcze przed fazą zanikającej produkcji gwiazd.

Do tej pory wśród astronomów były obawy, że tak odległe galaktyki nie będą wykrywalne w ten sposób, ale A1689-zD1 dostrzeżono przy pomocy krótkich obserwacji ALMA.

Kirsten Knudsen (Chalmers University of Technology, Szwecja), współautor publikacji, dodał, „Ta niesamowicie zapylona galaktyka wydaje się gwałtownie tworzyć swoje pierwsze generacje gwiazd. W przyszłości ALMA będzie pomagać astronomom w wyszukiwaniu kolejnych podobnych galaktyk i dowiedzeniu są co powoduje, że tak chętnie dojrzewają.”

Uwagi

[1] Galaktyka została wcześniej zauważona na zdjęciach z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a I podejrzewano, że jest bardzo odległa, ale nie można wtedy było dokładnie zmierzyć odległości.

[2] Odpowiada to przesunięciu ku czerwieni z = 7.5.

[3] W momencie gdy dociera do Ziemi i może zostać wykryte przez ALMA, promieniowanie to jest rozciągnięte przez rozszerzanie się Wszechświata do zakresu fal.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt. “A dusty, normal galaxy in the epoch of reionization”, D. Watson et al., który ukaże się 2 marca 2015 r. w internetowej wersji czasopisma Nature.

Skład zespołu badawczego: D. Watson (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Dania), L. Christensen (University of Copenhagen), K. K. Knudsen (Chalmers University of Technology, Szwecja), J. Richard (CRAL, Observatoire de Lyon, Saint Genis Laval, Francja), A. Gallazzi (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Firenze, Włochy) oraz M. J. Michalowski (SUPA, Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Wielka Brytania).

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1519