eso1138ru — Научный релиз

Выберите язык:

Далекие галактики показывают, как рассеивался космический туман

Новые наблюдения с VLT устанавливают временные рамки реионизации

12 октября 2011 г.

Ученые воспользовались очень Большим Телескопом ESO (VLT, ESO’s Very Large Telescope), чтобы прозондировать раннюю Вселенную на нескольких различных временных глубинах в эпоху, когда она становилась прозрачной для ультрафиолетового излучения. Эта краткая, но драматическая фаза космической истории, известная под именем реионизации, имела место около 13 миллиардов лет назад. Внимательно изучая некоторые из самых далеких известных нам галактик, группа исследователей впервые сумела установить временные рамки реионизации и, кроме того, показать, что эта фаза должна была протекать быстрее, чем астрономы думали до сих пор.

Международная группа астрономов использовала телескоп VLT в качестве машины времени, с помощью которой, наблюдая самые далекие из известных нам галактик, можно заглянуть в раннюю Вселенную. Ученые сумели точно измерить расстояния до нескольких таких галактик и нашли, что мы видим их такими, какими они были в эпоху между 780 миллионами и одним миллиардом лет после Большого Взрыва [1].

Новые наблюдения впервые позволили астрономам установить временные рамки для того, что известно нам под названием эпохи реионизации [2]. Во время этой фазы развития Вселенной водородный туман, заполнявший раннюю Вселенную, начал рассеиваться, позволяя ультрафиолетовому излучению распространяться беспрепятственно.

Новые результаты, которые будут опубликованы в Astrophysical Journal, основываются на длительном систематическом поиске удаленных галактик, который группа проводит с телескопом VLT в течение последних трех лет.

“Археологи могут реконструировать временные границы  прошлых событий по артефактам, которые они находят в различных слоях почвы. У астрономов есть лучшая возможность: мы можем заглянуть прямо в отдаленное прошлое, наблюдая слабое свечение различных галактик, находящихся на разных стадиях космической эволюции” – объясняет Адриано Фонтана (Adriano Fontana) из Римской астрономической обсерватории INAF, руководитель проекта. “Различия между этими галактиками рассказывают нам об изменении условий во Вселенной в течение этого важного периода, и о том, как быстро эти изменения происходили”.

Различные химические элементы ярко излучают в характерных для каждого элемента цветах. Эти пики яркости известны как эмиссионные линии. Одна из самых сильных ультрафиолетовых эмиссионных линий – линия Лайман-альфа, испускаемая водородом [3]. Она такая яркая, что ее можно различить даже при наблюдениях очень слабых и далеких галактик.

 Обнаружение линии Лайман-альфа у пяти очень далеких галактик [4] позволило участникам группы сделать две принципиально важных вещи. Во-первых, наблюдая, насколько линия смещена к красному концу спектра, они смогли определить расстояния до этих галактик, а следовательно, и узнать, на каких временных интервалах от Большого Взрыва они находятся [5]. Таким образом, ученые смогли расположить галактики в хронологическом порядке, создать временную последовательность, которая показывает, как излучение этих галактик эволюционировало во времени. Во-вторых, астрономам  удалось увидеть, в какой степени Лайман-альфа эмиссия, которая испускается светящимся водородом внутри галактик, повторно поглощается нейтральным водородным туманом межгалактической среды в различных временных точках.

“Мы видим поразительное различие в количестве задерживаемого ультрафиолетового света между самой ранней и самой поздней галактиками из нашей выборки” – говорит ведущий автор статьи Лаура Пентериччи (Laura Pentericci) из Римской астрономической обсерватории INAF . “Когда возраст Вселенной был всего 780 миллионов лет, нейтрального водорода было довольно много, он заполнял от 10 до 50% процентов объема Вселенной. Но всего лишь на 200 миллионов лет позже количество нейтрального водорода упало до очень низкого уровня, близкого к тому, который мы наблюдаем и сейчас. Похоже, что реионизация должна была произойти быстрее, чем  астрономы до сих пор считали”.

Кроме оценки скорости, с которой рассеивался первобытный водородный туман во Вселенной, наблюдения группы также позволили предположить, каков был вероятный источник ультрафиолетового излучения, обеспечившего необходимую для реионизации энергию. Есть несколько конкурирующих теорий, отвечающих на вопрос, откуда взялся этот свет. Два главных кандидата на роль его источника – это первое поколение звезд во Вселенной [6] и интенсивное излучение, испускаемое веществом, когда оно падает на черные дыры.

"Подробный анализ слабого света, приходящего от двух из самых далеких найденных нами галактик, показывает, что самое первое поколение звезд могло внести вклад в наблюдаемое количество энергии" – говорит Эрос Ванцелла (Eros Vanzella) из обсерватории INAF Триеста, член исследовательской группы. "Это должны были быть очень молодые и массивные звезды, примерно в пять тысяч раз моложе и в сто раз более массивные, чем Солнце. Они, возможно, были способны рассеять первичный туман и сделать пространство прозрачным".

Для выполнения сверхточных измерений, необходимых, чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу и показать, что эти звезды действительно могут произвести требуемое количество энергии, нужны наблюдения из космоса, или с планируемым новым телескопом ESO: Европейским Сверхкрупным Телескопом (European Extremely Large Telescope), который в начале следующего десятилетия станет величайшим оком человечества, направленным в небо.

Изучение столь раннего периода космической истории – вызов техническому совершенству человека, потому, что здесь нужны точные наблюдения самых далеких и слабых галактик. Эту задачу можно попытаться решить только с самыми мощными телескопами. Для своих спектроскопических наблюдений группа использовала огромную светособирающую мощь 8.2-метрового VLT. Галактики, выбранные в качестве целей, были впервые отождествлены с помощью  Космического Телескопа Хаббла NASA/ESA и на глубоких изображениях неба, полученных с самим VLT.

Примечания

[1] Самая удаленная галактика из всех, данные о которых опубликованы, имеет измеренное спектроскопическими методами красное смещение 8.6, что соответствует ее временной дистанции в 600 миллионов лет от Большого Взрыва (см. eso1041). Космический телескоп Хаббла наблюдал галактику, у которой предполагается красное смещение около 10 (480 миллионов лет от Большого Взрыва), но эти измерения еще требуют подтверждения. В данном исследовании самая удаленная галактика находится на красном смещении 7.1, что соответствует дистанции в 780 миллионов лет от Большого Взрыва. Нынешний возраст Вселенной составляет 13.7 миллиардов лет. Новая выборка из пяти проверенных галактик с измеренными линиями Лайман-альфа (отобранная из 20 кандидатов) включает в себя половину из всех известных галактик с z>7.

[2] В эпоху, когда формировались первые звезды и галактики, Вселенная была заполнена электрически нейтральным газообразным водородом, который поглощает ультрафиолетовое излучение. Так как ультрафиолетовое излучение ранних галактик возбуждало газ, делая его заряженным (ионизованным), газ постепенно становился прозрачным для ультрафиолетового света. Этот процесс известен под названием реионизации, так как считается, что в течение первых 100 000 лет после Большого Взрыва уже был короткий период, в течение которого водород также был ионизован.

[3] Группа измеряла эффекты водородного тумана методами спектроскопии, которые предполагают расщепление света от галактики на составляющие его цвета, так же, как призма расщепляет солнечный свет в радугу.

[4] Группа использовала телескоп VLT для изучения спектров 20 галактик-кандидатов на красных смещениях, близких к 7. Эти галактики были найдены при глубоких обзорах неба в трех полях. Из этих 20 объектов у пяти была обнаружена отчетливая Лайман-альфа эмиссия. В настоящее время это единственная подборка галактик со спектроскопически подтвержденным красным смещением около z=7.

[5] Из-за того, что Вселенная расширяется, световые волны от удаляющихся от нас объектов растягиваются, распространяясь в пространстве. Чем дальше приходится распространяться световой волне, тем больше ее растяжение. Так как красный свет имеет самую большую длину волны из всех, которые мы способны видеть глазами, характерный красный цвет, который приобретают от такого растяжения волн очень далекие объекты, получил название «красного смещения». Хотя технически эта величина показывает, насколько изменился цветовой состав света при его распространении в пространстве, она является и мерой расстояния до объекта, а также и мерой того, насколько этот объект отстоит во времени от момента Большого Взрыва.

[6] Астрономы делят звезды на три категории, известные как Население I, Население II и Население III. Звезды Населения I, как наше Солнце, богаты тяжелыми элементами, синтезированными в недрах более старых звезд и при взрывах Сверхновых. Поскольку эти звезды сделаны из «обломков» прежних поколений звезд,  они должны были появиться во Вселенной сравнительно недавно. Звезды Населения II содержат меньше тяжелых элементов и состоят преимущественно из водорода, гелия и лития, образовавшихся во время Большого Взрыва. Это более старые звезды, хотя многие из них все еще существуют во Вселенной. Звезды Населения III никогда прямо не наблюдались, хотя считается, что они существовали в раннюю эпоху Вселенной. Так как они содержали только вещество, созданное во время Большого Взрыва, в них совсем не было тяжелых элементов. Роль тяжелых элементов в формировании звезд очень важна, и поэтому на этой стадии развития Вселенной могли образоваться только очень большие звезды с очень короткими временами жизни. Поэтому все звезды Населения III должны были быстро закончить свой жизненный путь взрывами Сверхновых в раннюю эпоху Вселенной. И действительно, ни одного уверенного свидетельства существования звезд Населения III пока не получено даже при наблюдениях очень далеких галактик.

Узнать больше

Данное исследование представлено в виде статьи “Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGS: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization”, которая появится в Astrophysical Journal.

Состав группы: L.Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rome, Italy [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Trieste, Italy [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Germany), 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, Европейская Южная Обсерватория – ведущая межгосударственная астрономическая организация Европы и наиболее продуктивная астрономическая обсерватория в мире. Ее деятельность поддерживается усилиями ученых 15 стран: Австрии, Бельгии, Бразилии, Чешской республики, Дании, Франции, Финляндии, Германии, Италии, Нидерландов, Португалии, Испании, Швеции, Швейцарии и Соединенного Королевства. ESO проводит в жизнь масштабную программу проектирования, строительства и эксплуатации мощных наземных инструментов, позволяющих астрономам выполнять важнейшие научные исследования. ESO также играет ведущую роль в инициировании и организации международного сотрудничества в астрономических исследованиях. ESO ведет работу в трех уникальных наблюдательных пунктах в Чили: Ла Силья, Параналь и Чахнантор. На горе Параналь, в самой совершенной в мире астрономической обсерватории для наблюдений в видимом свете, установлен Очень Большой Телескоп ESO (The Very Large Telescope, VLT), и два обзорных телескопа. Телескоп VISTA работает в инфракрасной области и является крупнейшим в мире телескопом для выполнения обзоров неба; обзорный телескоп VLT (VLT Survey Telescope) -- крупнейший инструмент, предназначенный для обзоров неба в видимой области спектра. ESO – европейский партнер в революционном проекте телескопа ALMA, величайшего из существующих астрономических инструментов. Сейчас ESO планирует строительство 40-метрового Европейского Сверхкрупного Телескопа для оптического и ближнего ИК диапазона (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, E-ELT), который станет “самым большим в мире глазом, глядящим в небо”.

Ссылки

Контакты

Kirill Maslennikov
Pulkovo Observatory
St.-Petersburg, Russia
Сотовый: +7-911-212-2130
Email: km@gao.spb.ru

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

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Телефон: +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
Телефон: +49 89 3200 6655
Email: rhook@eso.org

Перевод пресс-релиза ESO eso1138.
Bookmark and Share

О релизе

Релиз №:eso1138ru
Название:Galaxies, NTTDF-474
Тип:• Early Universe : Galaxy
• Early Universe : Cosmology
Facility:Very Large Telescope
Science data:2011ApJ...743..132P

Изображения

Artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation (artist’s impression)
Artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation (artist’s impression)
только на английском
A galaxy seen when the Universe was only 820 million years old
A galaxy seen when the Universe was only 820 million years old
только на английском
A galaxy seen when the Universe was only 840 million years old
A galaxy seen when the Universe was only 840 million years old
только на английском

Видео

Animation of artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation
Animation of artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation
только на английском

Также смотрите наши