Vzdálené galaxie odhalují rozpouštění kosmické mlhy

ESO 038/11 tisková zpráva

Nová pozorování pomocí VLT načrtla průběh reionizace v mladém vesmír

Vědci použili dalekohled ESO/VLT pro průzkum raného vesmíru v několika obdobích, kdy se stával průhledným pro ultrafialové záření. Tato krátká, ale dramatická epizoda ve vývoji vesmíru – známá jako období reionizace – se odehrála asi před 13 miliardami let. Při studiu několika nejvzdálenějších dosud pozorovaných galaxií se týmu poprvé podařilo stanovit průběh reionizace v čase. Ukázalo se také, že tato fáze musela proběhnout rychleji, než se astronomové dříve domnívali.

Mezinárodní tým astronomů použil dalekohled VLT jako stroj času, aby se podíval do raného vesmíru a mohl tak pozorovat několik velmi vzdálených galaxií. Členové týmu byli schopni změřit s dostatečnou přesností jejich vzdálenosti a zjistili, že je vidíme tak, jak vypadaly 780 milionů let po velkém třesku [1].

Nová pozorování astronomům poprvé umožnila stanovit časový průběh takzvaného období reionizace [2]. V průběhu této rané fáze vývoje se v mladém vesmíru 'pročistila vodíková mlha‘, a to poprvé umožnilo ultrafialovému záření procházet prostorem bez zábran.

Výsledky, které budou zveřejněny v odborném časopise Astrophysical Journal, stavějí na systematickém hledání vzdálených galaxií, které členové týmu provedli v posledních třech letech pomocí dalekohledu VLT.

„Archelogové mohou rekonstruovat časovou souslednost minulosti na základě artefaktů, které nalézají v různých vrstvách. Astronomové ale umějí něco lepšího; mohou se do minulosti přímo podívat a pozorovat slabé světlo jednotlivých galaxií v různých stadiích vývoje,“ říká Adriano Fontana (INAF Rome Astronomical Observatory), vedoucí projektu. „Rozdíly mezi jednotlivými galaxiemi nám říkají něco o měnících se podmínkách ve vesmíru v průběhu této důležité etapy vývoje, a také informují, jak rychle k těmto změnám docházelo.“

Různé chemické prvky září na charakteristických vlnových délkách, kterým říkáme emisní spektrální čáry. Jedna z nejsilnějších emisních čar v ultrafialové oblasti je Lyman-alfa, kterou vyzařuje vodík. [3] Je velmi jasná, a tedy rozpoznatelná i u velmi slabých a vzdálených galaxií.

Zaznamenání čáry Lyman-alfa u pětice vzdálených galaxií [4] umožnilo členům týmu učinit dvě důležitá měření. Za prvé bylo možné stanovit vzdálenost galaxií (pomocí posunu čáry směrem k červenému konci spektra) a následně určit, jak brzy po velkém třesku je pozorujeme. [5] Bylo tak možné objekty seřadit na časové ose a sledovat, jak se vyzařování galaxií postupně měnilo. Za druhé bylo možné měřit, do jaké míry byla v různých obdobích emise na vlnové délce čáry Lyman-alfa – která pochází ze zářícího vodíku uvnitř galaxií – reabsorbována neutrální vodíkovou mlhou v mezigalaktickém prostoru.

„Mezi nejmladšími a nejstaršími galaxiemi v našem vzorku jsme nalezli významný rozdíl v množství zachyceného ultrafialového záření“, říká vedoucí autorka Laura Pentericci (INAF Rome Astronomical Observatory). „Když byl vesmír starý jen 780 milionů let, byl obsah neutrálního vodíku vysoký: tvořil 10 až 50 % objemu. Ale jen o 200 milionů let později pokleslo jeho množství na velmi nízkou úroveň podobnou té, jakou pozorujeme dnes. Vypadá to, že reionizace musela proběhnout rychleji, než si astronomové dosud mysleli.“

Pozorování, která členové týmu provedli, nesloužila jen ke zjištění rychlosti, s jakou se původní vesmírná mlha vyčistila, ale ukázala také na pravděpodobný zdroj ultrafialového záření, díky kterému mohl proces reionizace proběhnout. Na otázku, odkud se toto záření vzalo, existuje několik soupeřících odpovědí. Hlavními kandidáty jsou buď první generace hvězdy [6] a nebo hmota intenzivně vyzařující při pádu do černé díry.

„Podrobná analýza slabého světla těch nejvzdálenějších galaxií naznačuje, že k pozorovanému množství uvolňované energie významně přispívají hvězdy první generace,“ říká člen výzkumného týmu Eros Vanzella (INAF Trieste Observatory). „Mohlo by se jednat o velmi mladé hmotné hvězdy, asi tisíckrát mladší a stokrát hmotnější než Slunce, které by mohly být schopny rozpustit počáteční mlhu a zprůhlednit ji.“

K potvrzení nebo vyvrácení této hypotézy je potřeba provést velmi přesná měření. Ta mohou také prokázat, zda hvězdy mohou produkovat potřebné množství energie. K tomu je však potřeba použít přístroje na oběžné dráze nebo plánovaný obří dalekohled ESO/E-ELT, který by měl být k dispozici počátkem příštího desetiletí. 

Studium této rané fáze vývoje vesmíru je technicky náročné, neboť je potřeba získat přesná pozorování extrémně vzdálených a slabých galaxií, což je úkol pouze pro ty největší dalekohledy. Pro tuto studii členové týmu použili obrovskou sběrnou plochu dalekohledu VLT se zrcadlem o průměru 8,2 m k získání spektroskopických pozorování. Cíle jejich zájmu však byly nejprve vybrány na záběrech získaných pomocí dalekohledů HST (NASA/ESA) a VLT.

Zdroj

Poznámky

[1] Nejvzdálenější známá galaxie se spektroskopicky stanovenou vzdáleností má rudý posuv 8,6. Pozorujeme ji tedy tak, jak vypadala 600 milionů let po velkém třesku (eso1041). Existuje kandidát, identifikovaný na snímcích z kosmického dalekohledu HST, na galaxii s rudým posuvem kolem 10 (což by odpovídalo 480 milionům let po velkém třesku), ale tento objev čeká na potvrzení. Nejvzdálenější galaxie sledovaná v této studii má rudý posuv 7,1 (780 milionů let po velkém třesku). Vesmír je dnes starý asi 13,7 miliardy roků. Tento nový vzorek pěti galaxií potvrzených na základě pozorování čáry Lyman-alfa (z celkem 20 kandidátů) obsahuje polovinu všech známých galaxii s rudým posuvem větším než 7.  

[2] V době formování prvních hvězd a galaxií byl vesmír naplněn elektricky neutrálním vodíkem, který absorbuje ultrafialové záření. Jakmile však byl tento plyn excitován zářením těchto prvních galaxií, stal se postupně elektricky nabitým (ionizovaným) a pro ultrafialové záření průhledným. Tento proces je známý jako reionizace, neboť se předpokládá, že v krátkém období v průběhu prvních asi 100 000 let po velkém třesku byl vodík ionizován také.

[3] Tým měřil efekty vodíkové mlhy pomocí spektroskopie, což je technika využívající rozklad světla galaxií na základní složky (barvy).

[4] Členové týmu použili dalekohled VLT ke studiu spekter 20 galaxií, kandidátů na vysoký rudý posuv (kolem 7). Tito kandidáti byli výsledkem snímkování trojice vybraných polí  s vysokým dosahem. U pěti z nich byla jasně detekována čára Lyman-alfa. Jedná se v současnosti o jedinou skupinu galaxií se spektroskopicky potvrzeným rudým posuvem kolem 7.

[5] Vzhledem k rozpínání vesmíru se vlnová délka záření vzdálených objektů na své cestě prostorem natahuje. Čím dále světlo putuje, tím více se jeho vlnová délka prodlužuje. Jelikož červená barva má nejdelší vlnovou délku z barev viditelných okem, mají extrémně vzdálené objekty charakteristickou červenou barvu a jev je označován jako ‘rudý posuv‘. Ačkoliv technicky se jedná o míru změny barvy (vlnové délky sledovaného objektu), lze tento údaj převést také na hodnotu vzdálenosti či stáří objektu.

[6] Astronomové řadí hvězdy do tří kategorií označovaných jako Populace (I, II a III). Hvězdy populace I, jako je naše Slunce, jsou obohaceny těžšími prvky vytvořenými v centrech starších hvězd a při explozích supernov; jelikož jsou stvořeny ze zbytků po předchozích generacích, mohly vzniknout jen v pozdější fázi vývoje vesmíru. Hvězdy populace II mají nižší obsah těžších prvků a jsou vytvořeny především z vodíku, hélia a lithia vzniklého během velkého třesku. Jedná se o starší hvězdy, ale mnoho z nich existuje i v dnešním vesmíru. Hvězdy populace III nebyly nikdy přímo pozorovány. Předpokládá se, že existovaly na samotném počátku vesmíru. Jelikož vznikaly z materiálu vytvořeného v průběhu samotného velkého třesku, neobsahovaly žádné těžší prvky. Díky roli, jakou těžší prvky hrají při vzniku hvězd, mohly v tomto období vznikat jen obrovské hvězdy s velmi krátkou dobou života. Celá populace III tedy velmi rychle zakončila svůj život jako supernovy již v raných fázích vývoje vesmíru. Ani pozorování velmi vzdálených galaxií dosud nepřinesla potvrzení existence těchto hvězd.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “Spectroscopic Confirmation of z~7 LBGs: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization”, který vyjde v odborném časopise Astrophysical Journal.

Složení týmu: L. Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rome, Itálie [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Trieste, Itálie [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Německo), K. Boutsia (INAF-OAR), S. Cristiani (INAF-OAT), M. Dickinson (National Optical Astronomy Observatory, Tucson, USA), E. Giallongo (INAF-OAR), M. Giavalisco (University of Massachusetts, Amherst, USA), R. Maiolino (INAF-OAR), A. Moorwood (ESO, Garching), P. Santini (INAF-OAR).

ESO (Evropská jižní observatoř) je hlavní mezinárodní astronomickou organizací Evropy a patří k nejproduktivnějším astronomickým observatořím světa. Je podporována 15 členskými státy, kterými jsou: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemí, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko a Velká Británie. ESO má za cíl vývoj, konstrukci a provoz výkonných pozemních astronomických zařízení, která umožní významné vědecké objevy. ESO také hraje přední roli při propagaci a organizaci mezinárodní spolupráce na poli astronomického výzkumu. ESO v současnosti provozuje tři observatoře světově úrovně: La Silla, Paranal a Chajnantor, které se nacházejí na poušti Atacama v Chile. Na Paranalu se nachází VLT (Very Large Telescope = Velmi velký dalekohled) – nejvyspělejší pozemní dalekohled pracující ve viditelném světle a VISTA, největší přehlídkový dalekohled pro infračervenou oblast na světě. Zároveň je ESO evropským zástupcem největšího astronomického projektu všech dob – teleskopu ALMA budovaného na planině Chajnantor. V současnosti ESO plánuje výstavbu Evropského extrémně velkého dalekohledu (E-ELT), který bude mít průměr primárního zrcadla 40 metrů. Měl by pracovat v infračerveném i viditelném oboru záření a stane se největším dalekohledem světa.

Odkazy

• odborný článek
• snímky dalekohledu VLT

Kontakty

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

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

Dr. Laura Pentericci; INAF Rome Astronomical Observatory; Rome, Italy; Tel: +39 06 94 286 450; Email: laura.pentericci@oa-roma.inaf.it

Dr. Adriano Fontana; INAF Rome Astronomical Observatory; Rome, Italy; Tel: +39 06 94 286 456; Email: adriano.fontana@oa-roma.inaf.it

Richard Hook; ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel: +49 89 3200 6655; Email: rhook@eso.org