Das leistungsstarke Subaru-Teleskop in Hawaii hat die entfernteste Galaxie gefunden, die jemals gesehen wurde. Es befindet sich 12,88 Milliarden Lichtjahre entfernt - dies ist nur 780 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Beobachten von Objekten in dieser Entfernung ist äußerst schwierig, nicht nur wegen der großen Entfernungen, sondern auch, weil ein Großteil des Universums hinter neutralem Wasserstoff verdeckt war. Erst dann begannen die Sterne, diesen neutralen Wasserstoff zu beseitigen, wodurch das Universum transparent wurde.
Astronomen, die das Subaru-Teleskop auf Hawaii verwenden, haben 60 Millionen Jahre in der Zeit zurückgeschaut als alle anderen Astronomen, um die am weitesten entfernte bekannte Galaxie im Universum zu finden. Damit halten sie Subarus Rekord aufrecht, die entferntesten und frühesten bekannten Galaxien zu finden. Ihre jüngste Entdeckung ist eine Galaxie namens I0K-1, die so weit entfernt liegt, dass Astronomen sie so sehen, wie sie vor 12,88 Milliarden Jahren erschien.
Diese Entdeckung basiert auf Beobachtungen von Masanori Iye vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans (NAOJ), Kazuaki Ota von der Universität Tokio, Nobunari Kashikawa von NAOJ und anderen, dass Galaxien nur 780 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums existierten vor etwa 13,66 Milliarden Jahren als heiße Suppe aus Elementarteilchen.
Um das Licht dieser Galaxie zu erfassen, verwendeten die Astronomen die Suprime-Cam-Kamera des Subaru-Teleskops, die mit einem speziellen Filter ausgestattet war, um nach möglichen entfernten Galaxien zu suchen. Sie fanden 41.533 Objekte und identifizierten aus diesen zwei Kandidatengalaxien für weitere Untersuchungen mit der Faint Object Camera und dem Spectrograph (FOCAS) auf Subaru. Sie fanden heraus, dass IOK-1, der hellere der beiden, eine Rotverschiebung von 6,964 aufweist, was seine Entfernung von 12,88 Milliarden Lichtjahren bestätigt.
Die Entdeckung fordert die Astronomen auf, genau zu bestimmen, was zwischen 780 und 840 Millionen Jahren nach dem Urknall geschah. IOK-1 ist eine von nur zwei Galaxien in der neuen Studie, die zu dieser fernen Epoche gehören könnten. Angesichts der Anzahl der Galaxien, die 840 Millionen Jahre nach dem Urknall entdeckt wurden, hatte das Forscherteam erwartet, bis zu sechs Galaxien in dieser Entfernung zu finden. Die vergleichsweise Seltenheit von Objekten wie IOK-1 bedeutet, dass sich das Universum in den 60 Millionen Jahren, die die beiden Epochen trennen, verändert haben muss.
Die aufregendste Interpretation dessen, was passiert ist, ist, dass wir ein Ereignis sehen, das den Astronomen als Reionisierung des Universums bekannt ist. In diesem Fall hatte das Universum 780 Millionen Jahre nach dem Urknall immer noch genug neutralen Wasserstoff, um unsere Sicht auf junge Galaxien zu blockieren, indem das von ihren heißen jungen Sternen erzeugte Licht absorbiert wurde. Sechzig Millionen Jahre später gab es genug heiße junge Sterne, um den verbleibenden neutralen Wasserstoff zu ionisieren, das Universum transparent zu machen und es uns zu ermöglichen, ihre Sterne zu sehen.
Eine andere Interpretation der Ergebnisse besagt, dass es 780 Millionen Jahre nach dem Urknall weniger große und helle junge Galaxien gab als 60 Millionen Jahre später. In diesem Fall hätte der größte Teil der Reionisierung vor 12,88 Milliarden Jahren stattgefunden.
Unabhängig davon, welche Interpretation sich letztendlich durchsetzt, signalisiert die Entdeckung, dass Astronomen jetzt Licht aus dem „dunklen Zeitalter“ des Universums ausgraben. Dies ist die Epoche, in der die ersten Generationen von Sternen und Galaxien entstanden, und eine Epoche, die Astronomen bisher nicht beobachten konnten.
HINTERGRUNDINFORMATION:
Archäologie des frühen Universums mit speziellen Filtern
Neugeborene Galaxien enthalten Sterne mit einer Vielzahl von Massen. Schwerere Sterne haben höhere Temperaturen und emittieren ultraviolette Strahlung, die nahegelegenes Gas erwärmt und ionisiert. Wenn das Gas abkühlt, strahlt es überschüssige Energie ab, so dass es in einen neutralen Zustand zurückkehren kann. Bei diesem Prozess emittiert Wasserstoff immer Licht mit 121,6 Nanometern, die als Lyman-Alpha-Linie bezeichnet wird. Jede Galaxie mit vielen heißen Sternen sollte bei dieser Wellenlänge hell leuchten. Wenn sich alle Sterne gleichzeitig bilden, könnten die hellsten Sterne 10 bis 100 Millionen Jahre lang Lyman-Alpha-Emissionen erzeugen.
Um Galaxien wie IOK-1 zu untersuchen, die zu frühen Zeiten im Universum existieren, müssen Astronomen nach Lyman-Alpha-Licht suchen, das gedehnt und auf längere Wellenlängen rot verschoben wird, wenn sich das Universum ausdehnt. Bei Wellenlängen von mehr als 700 Nanometern müssen sich Astronomen jedoch mit Vordergrundemissionen von OH-Molekülen in der Erdatmosphäre auseinandersetzen, die schwache Emissionen von entfernten Objekten stören.
Um das schwache Licht entfernter Galaxien zu erkennen, hatte das Forscherteam bei Wellenlängen, bei denen die Erdatmosphäre nicht viel leuchtet, durch Fenster mit 711, 816 und 921 Nanometern beobachtet. Diese Fenster entsprechen der rotverschobenen Lyman-Alpha-Emission von Galaxien mit Rotverschiebungen von 4,8, 5,7 bzw. 6,6. Diese Zahlen geben an, wie viel kleiner das Universum im Vergleich zu heute war, und entsprechen 1,26 Milliarden Jahren, 1,01 Milliarden Jahren und 840 Millionen Jahren nach dem Urknall. Dies ist wie eine Archäologie des frühen Universums mit bestimmten Filtern, die es Wissenschaftlern ermöglichen, in verschiedene Schichten einer Ausgrabung zu sehen.
Um ihre spektakulären neuen Ergebnisse zu erzielen, musste das Team einen lichtempfindlichen Filter mit Wellenlängen von nur etwa 973 Nanometern entwickeln, was einer Lyman-Alpha-Emission bei einer Rotverschiebung von 7,0 entspricht. Diese Wellenlänge befindet sich an der Grenze moderner CCDs, die bei Wellenlängen über 1000 Nanometer an Empfindlichkeit verlieren. Dieser einzigartige Filter namens NB973 verwendet die Mehrschichtbeschichtungstechnologie und hat mehr als zwei Jahre in der Entwicklung gebraucht. Der Filter musste nicht nur Licht mit Wellenlängen von nur etwa 973 Nanometern durchlassen, sondern auch das gesamte Sichtfeld des Hauptfokus des Teleskops gleichmäßig abdecken. Das Team arbeitete mit einer Firma, Asahi Spectra Co.Ltd, zusammen, um einen Prototypfilter für die Verwendung mit der Subaru-Kamera für schwache Objekte zu entwerfen, und wandte diese Erfahrung dann bei der Herstellung des Filters für Suprime-Cam an.
Die Beobachtungen
Die Beobachtungen mit dem NB973-Filter fanden im Frühjahr 2005 statt. Nach mehr als 15 Stunden Expositionszeit erreichten die erhaltenen Daten eine Grenzgröße von 24,9. Es gab 41.533 Objekte in diesem Bild, aber ein Vergleich mit Bildern, die bei anderen Wellenlängen aufgenommen wurden, zeigte, dass nur zwei der Objekte nur im NB973-Bild hell waren. Das Team kam zu dem Schluss, dass nur diese beiden Objekte Galaxien mit einer Rotverschiebung von 7,0 sein können. Der nächste Schritt bestand darin, die Identität der beiden Objekte IOK-1 und IOK-2 zu bestätigen, und das Team beobachtete sie mit der Kamera und dem Spektrographen für schwache Objekte (FOCAS) am Subaru-Teleskop. Nach 8,5 Stunden Belichtungszeit konnte das Team ein Spektrum einer Emissionslinie aus dem helleren der beiden Objekte, IOK-1, erhalten. Sein Spektrum zeigte ein asymmetrisches Profil, das für die Lyman-Alpha-Emission einer entfernten Galaxie charakteristisch ist. Die Emissionslinie wurde bei einer Wellenlänge von 968,2 Nanometern (Rotverschiebung 6,964) zentriert, was einer Entfernung von 12,88 Milliarden Lichtjahren und einer Zeit von 780 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht.
Die Identität der zweiten Kandidatengalaxie
Drei Stunden Beobachtungszeit ergaben keine schlüssigen Ergebnisse zur Bestimmung der Natur von IOK-2. Das Forschungsteam hat seitdem mehr Daten erhalten, die jetzt analysiert werden. Es ist möglich, dass IOK-2 eine andere entfernte Galaxie oder ein Objekt mit variabler Helligkeit ist. Zum Beispiel eine Galaxie mit einer Supernova oder einem Schwarzen Loch, die aktiv Material verschluckt, das gerade während der Beobachtungen mit dem NB973-Filter hell erschien. (Die Beobachtungen in den anderen Filtern wurden ein bis zwei Jahre zuvor gemacht.)
Das Subaru Deep Field
Das Subaru-Teleskop eignet sich besonders gut für die Suche nach den entferntesten Galaxien. Von allen Teleskopen der 8- bis 10-Meter-Klasse der Welt ist es das einzige, das eine Kamera im Hauptfokus montieren kann. Der Hauptfokus oben auf dem Teleskoprohr hat den Vorteil eines weiten Sichtfelds. Infolgedessen dominiert Subaru derzeit die Liste der am weitesten entfernten bekannten Galaxien. Viele davon befinden sich in einer Region des Himmels in Richtung des Sternbilds Coma Berenices, genannt Subaru Deep Field, das das Forscherteam für intensive Untersuchungen bei vielen Wellenlängen ausgewählt hat.
Die frühe Geschichte des Universums und die Bildung der ersten Galaxien
Um diese Subaru-Leistung in einen Zusammenhang zu bringen, ist es wichtig zu überprüfen, was wir über die Geschichte des frühen Universums wissen. Das Universum begann mit dem Urknall, der vor etwa 13,66 Milliarden Jahren in einem feurigen Chaos extremer Temperatur und extremen Drucks stattfand. Innerhalb der ersten drei Minuten dehnte sich das Säuglingsuniversum schnell aus und kühlte ab. Dabei entstanden die Kerne leichter Elemente wie Wasserstoff und Helium, aber nur sehr wenige Kerne schwererer Elemente. In 380.000 Jahren hatten sich die Dinge auf eine Temperatur von rund 3.000 Grad abgekühlt. Zu diesem Zeitpunkt könnten sich Elektronen und Protonen zu neutralem Wasserstoff verbinden.
Mit Elektronen, die jetzt an Atomkerne gebunden sind, könnte Licht durch den Raum wandern, ohne von Elektronen gestreut zu werden. Wir können tatsächlich das Licht erkennen, das damals das Universum durchdrungen hat. Aufgrund von Zeit und Entfernung wurde es jedoch um den Faktor 1.000 gedehnt und füllt das Universum mit Strahlung, die wir als Mikrowellen (als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet) erfassen. Das Raumschiff Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) untersuchte diese Strahlung und seine Daten ermöglichten es Astronomen, das Alter des Universums auf etwa 13,66 Milliarden Jahre zu berechnen. Darüber hinaus implizieren diese Daten die Existenz von Dingen wie dunkler Materie und der noch rätselhafteren dunklen Energie.
Astronomen glauben, dass sich das Universum in den ersten paar hundert Millionen Jahren nach dem Urknall weiter abgekühlt hat und dass sich die erste Generation von Sternen und Galaxien in den dichtesten Regionen der Materie und der Dunklen Materie gebildet hat. Diese Periode ist als das „dunkle Zeitalter“ des Universums bekannt. Es gibt noch keine direkten Beobachtungen dieser Ereignisse, daher verwenden Astronomen Computersimulationen, um theoretische Vorhersagen und vorhandene Beobachtungsergebnisse zu verknüpfen, um die Bildung der ersten Sterne und Galaxien zu verstehen.
Sobald helle Sterne geboren sind, kann ihre ultraviolette Strahlung nahegelegene Wasserstoffatome ionisieren, indem sie sie wieder in separate Elektronen und Protonen aufspalten. Irgendwann gab es genug helle Sterne, um fast den gesamten neutralen Wasserstoff im Universum zu ionisieren. Dieser Prozess wird als Reionisierung des Universums bezeichnet. Die Epoche der Reionisierung signalisiert das Ende des dunklen Zeitalters des Universums. Heute ist der größte Teil des Wasserstoffs im Raum zwischen den Galaxien ionisiert.
Die Epoche der Reionisierung bestimmen
Astronomen haben geschätzt, dass die Reionisierung irgendwann zwischen 290 und 910 Millionen Jahren nach der Geburt des Universums stattfand. Der Beginn und das Ende der Epoche der Reionisierung zu bestimmen, ist einer der wichtigsten Schritte, um zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt, und ein Bereich intensiver Studien in Kosmologie und Astrophysik.
Es scheint, dass Galaxien mit zunehmendem Blick in die Vergangenheit immer seltener werden. Die Anzahl der Galaxien mit einer Rotverschiebung von 7,0 (was einer Zeit etwa 780 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht) scheint geringer zu sein als die Astronomen bei einer Rotverschiebung von 6,6 (was einer Zeit etwa 840 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht). . Da die Anzahl der bekannten Galaxien bei einer Rotverschiebung von 7,0 immer noch gering ist (nur eine!), Ist es schwierig, robuste statistische Vergleiche anzustellen. Es ist jedoch möglich, dass die Abnahme der Anzahl von Galaxien bei höherer Rotverschiebung auf das Vorhandensein von neutralem Wasserstoff zurückzuführen ist, der die Lyman-Alpha-Emission von Galaxien bei höherer Rotverschiebung absorbiert. Wenn weitere Untersuchungen bestätigen können, dass die Zahlendichte ähnlicher Galaxien zwischen einer Rotverschiebung von 6,6 und 7,0 abnimmt, könnte dies bedeuten, dass IOK-1 während der Epoche der Reionisierung des Universums existierte.
Diese Ergebnisse werden in der Nature-Ausgabe vom 14. September 2006 veröffentlicht.
Originalquelle: Subaru-Pressemitteilung
