Odległe galaktyki opowiadają historię wtórnej jonizacji Wszechświata

Odległe galaktyki opowiadają historię wtórnej jonizacji WszechświataOriginal Press Release
Międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał teleskop ESO VLT (Very Large Telescope) bo zbadać młody Wszechświat w kilku różnych momentach ery, w trakcie której dopiero stawał się on przezroczysty dla światła ultrafioletowego.

W zbadanej próbce obserwujemy dramatyczną różnicę pomiędzy ilością światła ultrafioletowego blokowanego pomiędzy najwcześniejszymi a najpóźniejszymi ze zbadanych galaktyk. Gdy Wszechświat miał zaledwie 780 milionów lat, neutralny wodór był dość powszechny, wypełniając od 10 do 50% objętości Wszechświata. Jednak już 200 milionów lat później ilość neutralnego wodoru spadła do bardzo niskiego poziomu, podobnego do tego, który obserwujemy obecnie. Wydaje się, ze wtórna jonizacja musiała nastąpić szybciej niż dotychczas sądzili astronomowie

Laura Pentericci
Rzymskie Obserwatorium Astronomiczne

„Archeolodzy mogą rekonstruować kolejność przeszłych wydarzeń dzięki znaleziskom, które znajdują w kolejnych warstwach gruntu. Astronomowie mają możliwość bezpośredniego spojrzenia w odległą przeszłość: mogą obserwować słabe światło od odległych galaktyk będących na różnych etapach kosmicznej ewolucji „- mówi kierujący badaniami Adriano Fontana z Rzymskiego Obserwatorium Astronomicznego. -” Różnice między galaktykami opowiadają nam o zmieniających się warunkach we Wszechświecie w tym ważnym okresie oraz to jak szybko następowały te zmiany.”

Różne pierwiastki chemiczne świecą jasno w charakterystycznych barwach. Te maksima jasności znane są jako linie emisyjne. Jedną najsilniejszych linii emisyjnych w ultrafiolecie jest linia Lyman-alfa, którą emituje gaz wodorowy. Jest wystarczająco jasna i rozpoznawalna, aby możliwe było zidentyfikowanie jej nawet w obserwacjach bardzo słabych i odległych galaktyk. Odnalezienie tej linii w widmach pięciu bardzo odległych galaktyk pozwoliło naukowcom wykonać dwa kluczowe ustalenia: po pierwsze, badając jak daleko linia została przesunięta w stronę czerwonej części widma, byli w stanie ustalić odległość do galaktyki a zarazem jej wiek. Umożłiwiło to uszeregowanie obserwowanych galaktyk w czasie i odkrycie w jaki sposób światło galaktyk ewoluowało wraz z upływem czasu. Po drugie, naukowcom udało się ustalić w jakim stopniu emisja Lyman-alfa była absorbowana przez mgłę neutralnego wodoru rozproszonego w przestrzeni międzygalaktycznej w różnych momentach czasu.

„W zbadanej próbce obserwujemy dramatyczną różnicę pomiędzy ilością światła ultrafioletowego blokowanego pomiędzy najwcześniejszymi a najpóźniejszymi ze zbadanych galaktyk „- mówi Laura Pentericci, główna autorka publikacji. -” Gdy Wszechświat miał zaledwie 780 milionów lat, neutralny wodór był dość powszechny, wypełniając od 10 do 50% objętości Wszechświata. Jednak już 200 milionów lat później ilość neutralnego wodoru spadła do bardzo niskiego poziomu, podobnego do tego, który obserwujemy obecnie. Wydaje się, ze wtórna jonizacja musiała nastąpić szybciej niż dotychczas sądzili astronomowie.”

Oprócz badań tempa, w którym pierwotna mgła ulegała rozproszeniu, obserwacje zespołu dają informacje o prawdopodobnych źródłach światła ultrafioletowego, które dostarczyło energii niezbędnej do wystąpienia rejonizacji. Istnieje kilka konkurencyjnych hipotez wyjaśniających skąd światło to pochodziło – dwoma głównymi kandydatami są pierwsza generacja masywnych gwiazd we Wszechświecie oraz intensywne promieniowanie emitowane przez materię opadającą na czarne dziury.

„Szczegółowe analizy słabego światła z dwóch najdalszych galaktyk wskazują, że pierwsza generacja gwiazd mogła mieć swój wkład w obserwowaną emisję energii” – mówi Eros Vanzella z Obserwatorium w Trieście. -” Były to bardzo młode i niezwykle masywne gwiazdy, około pięć tysięcy razy młodsze i około sto razy masywniejsze od Słońca, emitujące wystarczająco dużo energii by rozproszyć pierwotną mgłę i uczynić ją przezroczystą.”

Bardzo precyzyjne pomiary niezbędne do potwierdzenia lub podważenia tej hipotezy i wykazania w jaki sposób gwiazdy mogą produkować potrzebne ilości energii, wymagają przeprowadzenia obserwacji z kosmosu lub z planowanego przez ESO nowego ogromnego teleskopu E-ELT (European Extremely Large Telescope), który – gdy zostanie ukończony na początku przyszłej dekady – stanie się największym teleskopem na Ziemi.

Badanie tego wczesnego okresu kosmicznej historii jest niezwykłym technicznym wyzwaniem, ponieważ potrzebne są dokładne obserwacje ekstremalnie dalekich i słabych galaktyk, a zadania tego mogą podjąć się jedynie największe teleskopy. Do swoich badań zespół użył ogromnej siły zbiorczej światła 8,2-metrowego teleskopu VLT. To pozwoliło wykonać obserwacje spektroskopowe galaktyk wcześniej zidentyfikowanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a należący do NASA/ESA oraz w głębokich zdjęciach nieba z VLT.

Źródła:

Distant Galaxies Reveal The Clearing of the Cosmic Fog

Scientists have used ESO’s Very Large Telescope to probe the early Universe at several different times as it was becoming transparent to ultraviolet light. This brief but dramatic phase in cosmic history — known as reionisation — occurred around 13 billion years ago. By carefully studying some of the most distant galaxies ever detected, the team has been able to establish a timeline for reionisation for the first time. They have also demonstrated that this phase must have happened quicker than astronomers previously thought.

An international team of astronomers used the VLT as a time machine, to look back into the early Universe and observe several of the most distant galaxies ever detected. They have been able to measure their distances accurately and find that we are seeing them as they were between 780 million and a billion years after the Big Bang [1]. The new observations have allowed astronomers to establish a timeline for what is known as the age of reionisation [2] for the first time. During this phase the fog of hydrogen gas in the early Universe was clearing, allowing ultraviolet light to pass unhindered for the first time.

The new results, which will appear in the Astrophysical Journal, build on a long and systematic search for distant galaxies that the team has carried out with the VLT over the last three years.

“Archaeologists can reconstruct a timeline of the past from the artifacts they find in different layers of soil. Astronomers can go one better: we can look directly into the remote past and observe the faint light from different galaxies at different stages in cosmic evolution,” explains Adriano Fontana, of INAF Rome Astronomical Observatory who led this project. “The differences between the galaxies tell us about the changing conditions in the Universe over this important period, and how quickly these changes were occurring.”

Different chemical elements glow brightly at characteristic colours. These spikes in brightness are known as emission lines. One of the strongest ultraviolet emission lines is the Lyman-alpha line, which comes from hydrogen gas [3]. It is bright and recognisable enough to be seen even in observations of very faint and faraway galaxies.

Spotting the Lyman-alpha line for five very distant galaxies [4] allowed the team to do two key things: first, by observing how far the line had been shifted toward the red end of the spectrum, they were able to determine the galaxies’ distances, and hence how soon after the Big Bang they could see them [5]. This let them place them in order, creating a timeline which shows how the galaxies’ light evolved over time. Secondly, they were able to see the extent to which the Lyman-alpha emission — which comes from glowing hydrogen within the galaxies — was reabsorbed by the neutral hydrogen fog in intergalactic space at different points in time.

“We see a dramatic difference in the amount of ultraviolet light that was blocked between the earliest and latest galaxies in our sample,” says lead author Laura Pentericci of INAF Rome Astronomical Observatory. “When the Universe was only 780 million years old this neutral hydrogen was quite abundant, filling from 10 to 50% of the Universe’ volume. But only 200 million years later the amount of neutral hydrogen had dropped to a very low level, similar to what we see today. It seems that reionisation must have happened quicker than astronomers previously thought.”

As well as probing the rate at which the primordial fog cleared, the team’s observations also hint at the likely source of the ultraviolet light which provided the energy necessary for reionisation to occur. There are several competing theories for where this light came from — two leading candidates are the Universe’s first generation of stars [6], and the intense radiation emitted by matter as it falls towards black holes.

„The detailed analysis of the faint light from two of the most distant galaxies we found suggests that the very first generation of stars may have contributed to the energy output observed,” says Eros Vanzella of the INAF Trieste Observatory, a member of the research team. „These would have been very young and massive stars, about five thousand times younger and one hundred times more massive than the Sun, and they may have been able to dissolve the primordial fog and make it transparent.”

The highly accurate measurements required to confirm or disprove this hypothesis, and show that the stars can produce the required energy, require observations from space, or from ESO’s planned European Extremely Large Telescope, which will be the world’s largest eye on the sky once completed early next decade.

Studying this early period in cosmic history is technically challenging because accurate observations of extremely distant and faint galaxies are needed, a task which can only be attempted with the most powerful telescopes. For this study, the team used the great light-gathering power of the 8.2-metre VLT to carry out spectroscopic observations, targetting galaxies first identified by the NASA/ESA Hubble Space Telescope and in deep images from the VLT.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *