ALMA je poprvé v historii svědkem vzniku galaxií v mladém vesmíru

ESO 030/15 tisková zpráva

Radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) pro milimetrovou a submilimetrovou oblast elektromagnetického záření astronomové použili k pozorování těch nejvzdálenějších oblaků plynu - materiálu pro formování hvězd, jaké se dosud podařilo zachytit v normálních galaxiích v mladém vesmíru. Tato nová pozorování vědcům umožní začít zkoumat, jakým způsobem se první galaxie utvářejí a jak pomohly rozptýlit ‚kosmickou mlhu‘ v období reionizace vesmíru. Vůbec poprvé se totiž tyto galaxie podařilo pozorovat jako něco více než jen slabé skvrnky.

Když se několik set milionů let po velkém třesku začaly utvářet první galaxie, byl vesmír plný 'kosmické mlhy' v podobě neutrálního vodíku. Jakmile začalo zářit stále více a více objektů – ať již hvězd nebo kvasarů s mohutnými černými děrami ve svém srdci – změnily tyto zdroje kosmické prostředí a vesmír se postupně stal průhledným pro ultrafialové záření [1]. Astronomové tuto fázi vývoje vesmíru označují jako období reionizace. O prvních galaxiích toho však víme velmi málo a až dosud jsme je mohli spatřit jen jako velmi slabé drobounké skvrnky. Nyní však nová pozorování provedená pomocí radioteleskopu ALMA začínají tento stav měnit. 

Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory a Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, UK) a tým jeho spolupracovníků zaměřili teleskop ALMA na galaxie, o kterých se vědělo, že je pozorujeme v období asi 800 milionů let po velkém třesku [2]. Astronomové však nehledali světlo hvězd, ale místo toho pátrali po slabém záření ionizovaného uhlíku [3], které přichází z oblaků plynu, ve kterých se hvězdy formují. Snažili se zkoumat interakci mezi mladou generací hvězd a chladnými shluky, ze kterých se utvářely tyto první galaxie.  

Zároveň také nehledali výjimečně jasné a zřídka se vyskytující objekty – jako jsou kvasary a galaxie s mimořádným tempem hvězdotvorby – jaké jsme pozorovali dosud. Místo toho se zaměřili na méně nápadné ale hojněji se vyskytující galaxie, které přispěli k reionizaci látky ve vesmíru a jejich vývoj směřoval k množství obyčejných galaxií, jaké dnes pozorujeme kolem nás.

V jedné z těchto galaxií – s označením BDF 3299 – se pomocí radioteleskopu ALMA podařilo extrahovat slabý, ale jednoznačný, signál zářícího uhlíku. Záření však nepřicházelo ze středu galaxie, ale spíše z jedné její strany.  

Spoluautor článku Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy) vysvětluje význam tohoto pozorování: „Jedná se dosud nejvzdálenější detekci této emise z 'běžné' galaxie, kterou pozorujeme tak, jak vypadala méně než miliardu let po velkém třesku. To nám poskytuje příležitost sledovat tvorbu prvních galaxií. Poprvé vidíme mladé galaxie nejen jako drobné skvrnky, ale jako objekty s vlastní strukturou.“

Astronomové se domnívají, že excentrická poloha vyzařování uhlíku je způsobena narušením centrálních oblaků nepříznivým prostředím, které mají na svědomí mladé nově zformované hvězdy – jejich intenzivní záření a také efekty spojené s početnými explozemi supernov. Vyzařování uhlíku je však spojeno s čerstvým chladným plynem, který galaxie nasává z mezigalaktického prostoru.  

Spojením nových informací získaných prostřednictvím teleskopu ALMA s počítačovými simulacemi se daří vysvětlit detaily klíčových procesů, ke kterých docházelo v prvních galaxiích. Efekty spojené vyzařování prvních hvězd, přežití molekulárních oblaků, uvolňování ionizujícího záření a komplexní strukturu mezihvězdného média je možné nyní propočítat a srovnat výsledky s pozorováním. Zdá se, že galaxie BDF 3299 je typickým objektem, které byly v mladém vesmíru zodpovědné za jeho reionizaci. 

„Mnoho let jsme se snažili pochopit mezihvězdné médium a vznik zdrojů záření zodpovědných za reionizaci vesmíru. Konečně jsme však schopni otestovat předpovědi vyplývající z hypotéz na skutečných datech získaných radioteleskopem ALMA. Je to vzrušující okamžik, který jistě přinese řadu nových otázek. Této druh pozorování jistě vnese světlo do řady palčivých problémů, které dnešní astrofyzika má se vznikem prvních hvězd a galaxií ve vesmíru,“ doplňuje Andrea Ferrara.

A Roberto Maiolino dodává: „Tato studie by bez dalekohledu ALMA byla neproveditelná, protože žádný jiný přístroj na světě není v současnosti tak citlivý a nemá potřebné prostorové rozlišení. Ačkoliv se jedná o jedno z pozorování ALMA s dosud největším dosahem, stále jsme daleko od dosažení hranice možností tohoto zařízení. V budoucnu ALMA jistě zachytí ještě jemnější detaily v prvotních galaxiích a bude podrobně sledovat jejich vývoj.“

Poznámky

[1] Neutrální vodík velmi efektivně absorbuje ultrafialové záření s vysokou energií, které vyzařují mladé hvězdy. Proto je téměř nemožné je pozorovat v mladém vesmíru. Na druhou stranu ale toto záření vodík ionizuje a ten se díky tomu stává pro další záření průhledným. Horké hvězdy proto kolem sebe vytvářejí ‚průhlednou bublinu‘ ionizovaného plynu. Jakmile se ale spojí mnoho takových bublin od řady hvězd a galaxií, zprůhlední se v tomto smyslu postupně veškerý prostor ve vesmíru.

[2] Galaxie mají rudý posuv v rozmezí 6,8 až 7,1.

[3] Astronomové se zajímají především o ionizovaný uhlík, protože jeho některé spektrální čáry odnášejí pryč většinu energie dodávané hvězdami. To astronomům umožňuje sledovat chladný plyn, ze kterého se mohou formovat nové hvězdy. Členové tohoto týmu se zaměřili na jednu specifickou čáru jedenkrát ionizovaného uhlíku (označované [CII]). Její laboratorní vlnová délka je 158 mikrometrů, ale rozpínáním vesmíru je natažena na 1,3 mm, což je právě správná vlnová délka, na kterou jsou citlivé přístroje teleskopu ALMA.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA” autorů R. Maiolino a kol., který byl publikován 22. července 2015 ve vědeckém časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Složení týmu: R. Maiolino (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, UK; Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, UK) S. Carniani (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology; Universitá di Firenze, Florence, Itálie), A. Fontana (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Itálie), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Pisa, Itálie; Universitá di Bologna, Bologna, Italy), L. Pentericci (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Itálie), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Itálie), E. Vanzella (INAF–Bologna Astronomical Observatory, Bologna, Itálie), A. Grazian (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Itálie), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Pisa, Itálie), M. Castellano (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Itálie), S. Cristiani (INAF–Trieste Astronomical Observatory, Trieste, Itálie), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA), P. Santini (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Itálie), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Jodrell Bank Observatory, UK) and R. Williams (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology).

Astronomická observatoř ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) je mezinárodním partnerským projektem organizací ESO, NSF (US National Science Foundation) a NINS (National Institutes of Natural Sciences) v Japonsku ve spolupráci s Chilskou republikou. ALMA je za členské státy financována ESO, NSF ve spolupráci s NRC (National Research Council of Canada) a NSC (National Science Council of Taiwan) a NINS ve spolupráci s AS (Academia Sinica) na Taiwanu a KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) v Koreji.

Výstavba a provoz observatoře ALMA jsou ze strany Evropy řízeny ESO, ze strany Severní Ameriky NRAO (National Radio Astronomy Observatory), která je řízena AUI (Associated Universities, Inc.), a za východní Asii NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan). Spojená observatoř ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) poskytuje jednotné vedení a řízení stavby, plánování a provoz teleskopu ALMA.

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• odborný článek
• snímky dalekohledu ALMA

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Roberto Maiolino; Cavendish Laboratory & Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge; Cambridge, United Kingdom; Tel.: +44 1223 761661; Mobil: +44 7557 774718; Email: r.maiolino@mrao.cam.ac.uk

Andrea Ferrara; Scuola Normale Superiore; Pisa, Italy; Mobil: +39 329 0715067; Email: andrea.ferrara@sns.it

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org