הטלסקופ סובארו החזק בהוואי מצא את הגלקסיה הרחוקה ביותר שנראתה אי-פעם, ממוקמת 12.88 מיליארד שנות אור משם - זה רק 780 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. התבוננות בחפצים רחוקים זה קשה ביותר, לא רק בגלל המרחקים הגדולים הכרוכים בכך, אלא משום שרוב היקום הוסתר מאחורי מימן ניטרלי. כוכבים רק אז החלו לפנות את המימן הנייטרלי הזה, והפכו את היקום לשקוף.
אסטרונומים המשתמשים בטלסקופ סובארו בהוואי נראו 60 מיליון שנה רחוק יותר אחורה בזמן מכל אסטרונומים אחרים, כדי למצוא את הגלקסיה הרחוקה ביותר הידועה ביקום. בכך הם מקיימים את השיא של סובארו לאיתור הגלקסיות הרחוקות והמוקדמות ביותר הידועות. התגלית האחרונה שלהם היא של גלקסיה בשם I0K-1 שנמצאת כל כך רחוקה עד שהאסטרונומים רואים אותה כפי שהיא נראתה לפני 12.88 מיליארד שנה.
תגלית זו, המבוססת על תצפיות שנעשו על ידי מסאנורי איי מהמצפה האסטרונומי הלאומי של יפן (NAOJ), קזואקי אוטה מאוניברסיטת טוקיו, נובונארי קשיקאווה מ- NAOJ, ואחרות מעידה כי גלקסיות היו קיימות רק 780 מיליון שנה לאחר שהיקום התרחש. לפני 13.66 מיליארד שנה כמרק חם של חלקיקים אלמנטריים.
כדי לאתר את האור מגלקסיה זו, השתמשו האסטרונומים במצלמת ה- Suprime-Cam של טלסקופ המצוידים עם פילטר מיוחד לחיפוש אחר גלקסיות מרוחקות. הם מצאו 41,533 חפצים, ומאלה זיהו שתי גלקסיות מועמדות למחקר נוסף באמצעות מצלמת האובייקט קלוש וספקטרוגרף (FOCAS) בסובארו. הם גילו כי ל- IOK-1, הבהיר יותר מבין השניים, יש שינוי אדום של 6.964, ומאשר את המרחק של 12.88 מיליארד שנות אור.
הגילוי מאתגר את האסטרונומים לקבוע מה בדיוק קרה בין 780 ל- 840 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול. IOK-1 הוא אחת משתי גלקסיות בלבד במחקר החדש שיכול היה להשתייך לתקופה רחוקה זו. בהתחשב במספר הגלקסיות שהתגלו 840 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול, צוות המחקר ציפה למצוא שישה גלקסיות במרחק זה. הנדירות ההשוואתית של עצמים כמו IOK-1 פירושה שהיקום כנראה השתנה במשך 60 מיליון השנים המפרידות בין שתי התקופות.
הפירוש המרגש ביותר למה שקרה הוא שאנחנו רואים אירוע שידוע לאסטרונומים כריסוניזציה של היקום. במקרה זה, 780 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול, ליקום עדיין היה מספיק מימן נייטרלי בכדי לחסום את השקפתנו על גלקסיות צעירות על ידי ספיגת האור המיוצר על ידי הכוכבים הצעירים הלוהטים שלהם. שישים מיליון שנה לאחר מכן, היו מספיק כוכבים צעירים חמים כדי ליינן את המימן הנייטרלי שנותר, מה שהופך את היקום לשקוף ולאפשר לנו לראות את הכוכבים שלהם.
פרשנות נוספת לתוצאות אומרת כי היו פחות גלקסיות צעירות גדולות ומוארות 780 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול מאשר 60 מיליון שנה לאחר מכן. במקרה זה, מרבית המיזוג מחדש היה מתרחש מוקדם יותר מאשר לפני 12.88 מיליארד שנה.
לא משנה איזו פרשנות שולטת סוף סוף, הגילוי מאותת כי אסטרונומים חופר כעת אור מ"ימי הביניים האפלים "של היקום. זו התקופה בה התרחשו הדורות הראשונים של הכוכבים והגלקסיות, ותקופה שהאסטרונומים לא הצליחו לקיים עד כה.
מידע רקע:
ארכיאולוגיה של היקום הקדום בעזרת פילטרים מיוחדים
גלקסיות יילוד מכילות כוכבים עם מגוון רחב של המונים. לכוכבים הכבדים יש טמפרטורות גבוהות יותר, ופולטות קרינה אולטרה סגולה המחממת ומייעלת גז סמוך. כאשר הגז מתקרר הוא מקרין עודפי אנרגיה כך שיוכל לחזור למצב ניטרלי. בתהליך זה מימן תמיד יפלט אור בגודל 121.6 ננומטר, הנקרא קו Lyman-alpha. כל גלקסיה עם הרבה כוכבים חמים צריכה להאיר באור גל זה. אם יוצרים כוכבים בבת אחת, הכוכבים המבריקים ביותר יכולים לייצר פליטת Lyman-alpha במשך 10 עד 100 מיליון שנים.
על מנת ללמוד גלקסיות כמו IOK-1 הקיימות בזמנים מוקדמים ביקום, על אסטרונומים לחפש אור Lyman-alpha שנמתח ומוסט מחדש לאדכי גל ארוכים יותר ככל שהיקום מתרחב. עם זאת, באורכי גל שאורכם עולה על 700 ננומטר, אסטרונומים צריכים להתמודד עם פליטות חזית ממולקולות OH באטמוספירה של כדור הארץ עצמו שמפריעות לפליטות קלושות מחפצים רחוקים.
כדי לאתר את האור הקלוש מגלקסיות רחוקות, צוות המחקר התבונן באורכי גל בהם האטמוספרה של כדור הארץ אינה זורחת הרבה, דרך חלונות בגודל 711, 816 ו- 921 ננומטר. חלונות אלה תואמים את פליטת Lyman-alpha המוסטה מהגלקסיות עם משמרות אדומות של 4.8, 5.7 ו- 6.6 בהתאמה. מספרים אלה מציינים עד כמה היקום הקטן יותר בהשוואה לעכשיו, ומתאימים ל -1.26 מיליארד שנים, 1.01 מיליארד שנים, ו -840 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. זה כמו לעשות ארכיאולוגיה של היקום הקדום עם פילטרים מסוימים המאפשרים למדענים לראות בשכבות שונות של חפירה.
כדי להשיג את התוצאות החדשות המרהיבות שלהם, הצוות היה צריך לפתח פילטר רגיש לאור באורכי גל רק בסביבות 973 ננומטר, התואם את פליטת אלפא של Lyman במשמרת אדומה של 7.0. אורך גל זה נמצא בגבול ה- CCDs המודרניים אשר מאבדים רגישות באורך גל ארוך מ- 1000 ננומטר. פילטר אחד מסוגו, הנקרא NB973, משתמש בטכנולוגיית ציפוי רב שכבתית, ולקח יותר משנתיים לפיתוח. לא רק שהפילטר נאלץ להעביר אור באורכי גל רק בסביבות 973 ננומטר, אלא שהוא היה צריך לכסות באופן אחיד את כל שדה הראיה של המיקוד העיקרי של הטלסקופ. הצוות עבד עם חברה, Asahi Spectra Co.Ltd, כדי לתכנן מסנן אב-טיפוס שישתמש במצלמת Faint Object של סובארו, ואז יישם את החוויה הזו לייצור המסנן עבור Suprime-Cam.
התצפיות
התצפיות עם מסנן NB973 התקיימו באביב 2005. לאחר יותר מ 15 שעות זמן חשיפה, הנתונים שהושגו הגיעו לעוצמה מגבילת של 24.9. בתמונה זו היו 41,533 עצמים, אך השוואה עם תמונות שצולמו באורכי גל אחרים הראתה שרק שניים מהאובייקטים היו בהירים רק בתמונת NB973. הצוות הגיע למסקנה שרק שני האובייקטים הללו יכולים להיות גלקסיות במשמרת אדומה של 7.0. השלב הבא היה לאשר את זהותם של שני החפצים, IOK-1 ו- IOK-2, והצוות צפה בהם במצלמת האובייקט והחלוף FOCAS (טלסקופ סובארו). לאחר 8.5 שעות של זמן חשיפה הצוות הצליח להשיג ספקטרום של קו פליטה מהבהיר יותר מבין שני העצמים, IOK-1. הספקטרום שלו הציג פרופיל א-סימטרי האופייני לפליטת Lyman-alpha מגלקסיה רחוקה. קו הפליטה התרכז באורך גל של 968.2 ננומטר (משמרת אדומה 6.964), המתאים למרחק של 12.88 מיליארד שנות אור וזמן של 780 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול.
זהות גלקסיית המועמדים השנייה
שלוש שעות של זמן תצפית לא הניבו תוצאות חד משמעיות לקביעת אופי ה- IOK-2. צוות המחקר השיג מאז נתונים נוספים שעוברים כעת ניתוח. יתכן ש- IOK-2 יכולה להיות גלקסיה רחוקה אחרת, או שהיא יכולה להיות אובייקט עם בהירות משתנה. לדוגמה, גלקסיה עם סופרנובה או חור שחור בולע באופן פעיל חומר שבמקרה נראה בהיר במהלך התצפיות עם המסנן NB973. (תצפיות במסננים האחרים נעשו שנה עד שנתיים קודם לכן.)
שדה עמוק סובארו
הטלסקופ סובארו מתאים במיוחד לחיפוש אחר הגלקסיות הרחוקות ביותר. מבין כל הטלסקופים בגודל 8-10 מטרים בעולם, זה היחיד עם היכולת להעלות מצלמה בפוקוס ראשוני. המוקד העיקרי, בראש צינור הטלסקופ, יתרון של שדה ראייה רחב. כתוצאה מכך סובארו חולשת כיום על רשימת הגלקסיות הידועות ביותר. רבים מאלה נמצאים באזור השמיים לכיוון קבוצת הכוכבים Coma Berenices המכונה שדה עמוק סובארו אותו בחר צוות המחקר למחקר אינטנסיבי באורכי גל רבים.
ההיסטוריה הקדומה של היקום וגיבוש הגלקסיות הראשונות
כדי להכניס את ההישג הזה של סובארו להקשר, חשוב לבדוק את מה שאנחנו יודעים על ההיסטוריה של היקום המוקדם. היקום החל במפץ הגדול, שהתרחש לפני כ -13.66 מיליארד שנה בתוהו ובוהו של טמפרטורה ולחץ קיצוני. בתוך שלוש הדקות הראשונות שלו, יקום התינוק התפשט במהירות והתקרר, וייצר גרעינים של יסודות קלים כמו מימן והליום אך מעטים מאוד גרעינים של יסודות כבדים יותר. ב -380,000 שנה הדברים התקררו לטמפרטורה של כ -3,000 מעלות. בשלב זה, אלקטרונים ופרוטונים יכולים לשלב ליצירת מימן ניטרלי.
כאשר אלקטרונים נקשרים כעת לגרעינים אטומיים, האור יכול לנוע בחלל מבלי להתפזר על ידי אלקטרונים. אנו למעשה יכולים לזהות את האור שחלחל ליקום באותה תקופה. עם זאת, בגלל הזמן והמרחק, הוא נמתח על ידי גורם של 1,000, וממלא את היקום בקרינה שאנו מזהים כמיקרוגל (המכונה רקע מיקרוגל קוסמי). חללית וויקרקינסון מיקרוגל אניסוטרופיה (WMAP) בחנה את הקרינה הזו ונתוניה אפשרו לאסטרונומים לחשב את גיל היקום בסביבות 13.66 מיליארד שנה. בנוסף, נתונים אלה מרמזים על קיומם של דברים כמו חומר אפל ואנרגיה אפלה חידה עוד יותר.
אסטרונומים חושבים כי במהלך מאות השנים הראשונות לאחר המפץ הגדול, היקום המשיך להתקרר וכי הדור הראשון של הכוכבים והגלקסיות נוצר באזורים הצפופים ביותר של החומר והחומר האפל. תקופה זו ידועה בשם "ימי הביניים האפלים" של היקום. אין עדיין תצפיות ישירות על אירועים אלה, ולכן אסטרונומים משתמשים בהדמיות מחשב בכדי לקשור תחזיות תיאורטיות וראיות תצפיתיות קיימות בכדי להבין את היווצרות הכוכבים והגלקסיות הראשונות.
ברגע שנולדו כוכבים בהירים, הקרינה האולטרה-סגולה שלהם יכולה ליינן אטומי מימן סמוכים על ידי פיצולם חזרה לאלקטרונים ופרוטונים נפרדים. בשלב מסוים היו מספיק כוכבים בהירים כדי ליינן כמעט את כל המימן הנייטרלי ביקום. תהליך זה נקרא מחדש-מחדש את היקום. תקופת הריוניזציה מסמלת את סיום ימי האפל של היקום. כיום רוב המימן במרחב שבין הגלקסיות מיונן.
מציגה את תקופת הריוניזציה
אסטרונומים העריכו כי אי-מימון מחדש התרחש מתישהו בין 290 ל- 910 מיליון שנה לאחר לידת היקום. קביעת ראשיתו וסופו של תקופת הריוניזציה היא אחת מאבני המדרגה החשובות להבנת התפתחות היקום, והיא תחום של מחקר אינטנסיבי בקוסמולוגיה ובאסטרופיזיקה.
נראה שככל שאנו מסתכלים רחוק יותר בזמן, הגלקסיות נעשות נדירות יותר ונדירות יותר. מספר הגלקסיות עם משמרת אדומה של 7.0 (שתואם לתקופה של כ -780 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול) נראה קטן יותר ממה שרואים האסטרונומים בשינוי אדום של 6.6 (שתואם לתקופה של כ 840 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול) . מכיוון שמספר הגלקסיות הידועות במשמרת אדומה של 7.0 עדיין קטן (רק אחת!), קשה לערוך השוואה סטטיסטית איתנה. עם זאת, יתכן שהירידה במספר הגלקסיות בהיסטה אדומה גבוהה יותר נובעת מנוכחות מימן נייטרלי הסופג את פליטת Lyman-alpha מגלקסיות בהיסטה אדומה גבוהה יותר. אם מחקר נוסף יכול לאשר כי צפיפות המספרים של גלקסיות דומות פוחתת בין משמרת אדומה של 6.6 ל -7.0, זה יכול להיות ש- IOK-1 היה קיים בתקופה של מימון מחדש של היקום.
תוצאות אלה יפורסמו במהדורה של הטבע בספטמבר 14, 2006.
המקור המקורי: מהדורת חדשות סובארו
