Bildnachweis: ESO
Ein internationales Team von Astronomen hat das Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory verwendet, um tief in den Weltraum zu schauen und Galaxien zu sehen, die 12,6 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Diese Galaxien werden gesehen, als das Universum nur 10% seines gegenwärtigen Alters betrug. Es wurden nur wenige Galaxien gefunden, die so alt sind, und diese neue Sammlung hat den Astronomen zu dem Schluss gebracht, dass sie Teil eines kosmischen dunklen Zeitalters sind, als leuchtende Galaxien seltener waren - nur 500 Millionen Jahre später gab es noch viele weitere.
Mit dem ESO Very Large Telescope (VLT) haben zwei Astronomen aus Deutschland und Großbritannien [2] einige der entferntesten Galaxien entdeckt, die jemals gesehen wurden. Sie befinden sich etwa 12.600 Millionen Lichtjahre entfernt.
Das Licht, das jetzt vom VLT aufgezeichnet wurde, hat ungefähr neun Zehntel des Zeitalters des Universums gebraucht, um diese enorme Distanz zu überwinden. Wir beobachten diese Galaxien daher so, wie sie zu einer Zeit waren, als das Universum noch sehr jung war, weniger als etwa 10% seines gegenwärtigen Alters. Zu dieser Zeit entstand das Universum aus einer langen Zeit, die als „dunkles Zeitalter“ bekannt war, und trat in die leuchtende Epoche der „kosmischen Renaissance“ ein.
Im Gegensatz zu früheren Studien, die in dieser frühen Epoche zur Entdeckung einiger weit verbreiteter Galaxien führten, fand die vorliegende Studie mindestens sechs entfernte Bürger in einem kleinen Himmelsgebiet, weniger als fünf Prozent der Größe des Vollmonds! Dies ermöglichte es, die Entwicklung dieser Galaxien und ihre Auswirkungen auf den Zustand des Universums in seiner Jugend zu verstehen.
Insbesondere die Astronomen schließen aufgrund ihrer einzigartigen Daten, dass es zu diesem frühen Zeitpunkt erheblich weniger leuchtende Galaxien im Universum gab als 500 Millionen Jahre später.
Es muss daher in der Region des Weltraums, die sie untersuchten, viel weniger leuchtende Galaxien geben, die zu schwach sind, um in dieser Studie entdeckt zu werden. Es müssen diese noch nicht identifizierten Galaxien sein, die den größten Teil der energetischen Photonen emittieren, die zur Ionisierung des Wasserstoffs im Universum in dieser besonderen Epoche benötigt werden.
Vom Urknall bis zur kosmischen Renaissance
Heutzutage ist das Universum von energetischer ultravioletter Strahlung durchdrungen, die von Quasaren und heißen Sternen erzeugt wird. Die kurzwelligen Photonen setzen Elektronen aus den Wasserstoffatomen frei, aus denen das diffuse intergalaktische Medium besteht, und dieses ist daher fast vollständig ionisiert. Es gab jedoch eine frühe Epoche in der Geschichte des Universums, als dies nicht der Fall war.
Das Universum ging von einem heißen und extrem dichten Ausgangszustand aus, dem sogenannten Urknall. Astronomen glauben heute, dass es vor etwa 13.700 Millionen Jahren stattgefunden hat.
In den ersten Minuten wurden enorme Mengen an Protonen, Neutronen und Elektronen erzeugt. Das Universum war so heiß, dass Protonen und Elektronen frei schwebten: Das Universum war vollständig ionisiert.
Nach etwa 100.000 Jahren hatte sich das Universum auf einige tausend Grad abgekühlt und die Kerne und Elektronen vereinigten sich nun zu Atomen. Kosmologen bezeichnen diesen Moment als "Rekombinationsepoche". Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die wir jetzt aus allen Richtungen beobachten, zeigt den Zustand großer Gleichmäßigkeit im Universum in dieser fernen Epoche.
Dies war jedoch auch die Zeit, in der das Universum in Dunkelheit versank. Auf der einen Seite war die Reliktstrahlung des ursprünglichen Feuerballs durch die kosmische Expansion in Richtung längerer Wellenlängen gedehnt worden und konnte daher den Wasserstoff nicht mehr ionisieren. Im Gegenteil, es wurde von den gerade gebildeten Wasserstoffatomen eingefangen. Auf der anderen Seite waren noch keine Sterne oder Quasare gebildet worden, die den weiten Raum beleuchten könnten. Diese düstere Ära wird daher vernünftigerweise als „dunkles Zeitalter“ bezeichnet. Beobachtungen konnten noch nicht in dieses ferne Zeitalter eindringen - unser Wissen ist noch rudimentär und basiert alle auf theoretischen Berechnungen.
Ein paar hundert Millionen Jahre später, oder zumindest glauben Astronomen, hatten sich aus den riesigen Gaswolken, die sich zusammen bewegt hatten, einige erste massive Objekte gebildet. Die erste Generation von Sternen und etwas später die ersten Galaxien und Quasare erzeugten intensive ultraviolette Strahlung. Diese Strahlung konnte sich jedoch nicht sehr weit bewegen, da sie sofort von den Wasserstoffatomen absorbiert würde, die bei diesem Prozess erneut ionisiert wurden.
Das intergalaktische Gas wurde somit wieder in stetig wachsenden Kugeln um die ionisierenden Quellen ionisiert. Irgendwann waren diese Kugeln so groß geworden, dass sie sich vollständig überlappten: Der Nebel über dem Universum hatte sich aufgehoben!
Dies war das Ende des dunklen Zeitalters und wird mit einem Begriff, der wieder aus der Geschichte der Menschheit übernommen wurde, manchmal als „kosmische Renaissance“ bezeichnet. Astronomen beschreiben das bedeutendste Merkmal dieser Zeit und nennen es auch die „Epoche der Reionisierung“.
Mit dem VLT die entferntesten Galaxien finden
Um den Zustand des Universums am Ende des Mittelalters zu beleuchten, müssen extrem entfernte (d. H. Hochrotverschobene [2]) Galaxien entdeckt und untersucht werden. Verschiedene Beobachtungsmethoden können verwendet werden - zum Beispiel wurden entfernte Galaxien mittels Schmalband-Bildgebung (z. B. ESO PR 12/03), unter Verwendung von Bildern gefunden, die durch massive Cluster gravitativ verstärkt wurden, und auch zufällig.
Matthew Lehnert vom MPE in Garching, Deutschland, und Malcolm Bremer von der Universität Bristol, Großbritannien, verwendeten eine spezielle Technik, die die Änderung der beobachteten Farben einer entfernten Galaxie ausnutzt, die durch Absorption im dazwischenliegenden intergalaktischen Medium verursacht wird. Galaxien mit Rotverschiebungen von 4,8 bis 5,8 [2] können gefunden werden, indem nach Galaxien gesucht wird, die im roten optischen Licht vergleichsweise hell erscheinen und im grünen Licht schwach oder unentdeckt sind. Solche „Brüche“ in der Lichtverteilung einzelner Galaxien liefern starke Beweise dafür, dass sich die Galaxie möglicherweise in hoher Rotverschiebung befindet und dass ihr Licht auf ihrer langen Reise zu uns, nur etwa 1000 Millionen Jahre nach dem Urknall, begann.
Zu diesem Zweck verwendeten sie zunächst das FORS2-Multimode-Instrument des 8,2-m-VLT-YEPUN-Teleskops, um extrem „tiefe“ Bilder durch drei optische Filter (grün, rot und sehr rot) eines kleinen Himmelsbereichs (40 Quadratbogenminuten) aufzunehmen oder ca. 5 Prozent der Größe des Vollmonds). Diese Bilder zeigten ungefähr 20 Galaxien mit großen Brüchen zwischen dem Grün- und dem Rotfilter, was darauf hindeutet, dass sie sich bei hoher Rotverschiebung befanden. Die Spektren dieser Galaxien wurden dann mit demselben Instrument erhalten, um ihre wahren Rotverschiebungen zu messen.
„Der Schlüssel zum Erfolg dieser Beobachtungen war die Verwendung des großartigen neuen rotverstärkten Detektors, der auf FORS2 verfügbar ist“, sagt Malcolm Bremer.
Die Spektren zeigten, dass sich sechs Galaxien in Abständen befinden, die Rotverschiebungen zwischen 4,8 und 5,8 entsprechen; andere Galaxien waren näher. Überraschenderweise und zur Freude der Astronomen wurde eine Emissionslinie in einer anderen schwachen Galaxie gesehen, die zufällig beobachtet wurde (sie befand sich zufällig in einem der FORS2-Schlitze), die sich möglicherweise noch weiter entfernt befindet, mit einer Rotverschiebung von 6.6. Wenn dies durch nachfolgende detailliertere Beobachtungen bestätigt würde, wäre diese Galaxie ein Anwärter auf die Goldmedaille als die am weitesten entfernte bekannte!
Die frühesten bekannten Galaxien
Die Spektren zeigten, dass diese Galaxien aktiv Sterne bilden und wahrscheinlich nicht älter als 100 Millionen Jahre sind, vielleicht sogar jünger. Ihre Anzahl und beobachtete Helligkeit legen jedoch nahe, dass leuchtende Galaxien bei diesen Rotverschiebungen immer weniger leuchten als ähnlich ausgewählte Galaxien in unserer Nähe.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das kombinierte ultraviolette Licht der entdeckten Galaxien nicht ausreicht, um das umgebende Gas vollständig zu ionisieren“, erklärt Malcom Bremer. „Dies führt uns zu dem Schluss, dass es in der von uns untersuchten Region des Weltraums viel mehr kleinere und weniger leuchtende Galaxien geben muss, die zu schwach sind, um auf diese Weise entdeckt zu werden. Es müssen diese noch unsichtbaren Galaxien sein, die den Großteil der energetischen Photonen emittieren, die zur Ionisierung des Wasserstoffs im Universum erforderlich sind. “
„Der nächste Schritt wird darin bestehen, mit dem VLT mehr und schwächere Galaxien bei noch höheren Rotverschiebungen zu finden“, fügt Matthew Lehnert hinzu. "Mit einer größeren Stichprobe solcher entfernter Objekte können wir dann einen Einblick in ihre Natur und die Variation ihrer Dichte am Himmel erhalten."
Eine britische Premiere
Die hier vorgestellten Beobachtungen gehören zu den ersten großen Entdeckungen britischer Wissenschaftler seit dem Beitritt Großbritanniens zur ESO im Juli 2002. Richard Wade vom Forschungsrat für Teilchenphysik und Astronomie (PPARC), der das britische Abonnement der ESO finanziert, ist sehr erfreut : „Durch den Beitritt zum European Southern Observatory haben britische Astronomen Zugang zu weltweit führenden Einrichtungen wie dem VLT erhalten. Diese aufregenden neuen Ergebnisse, von denen ich sicher bin, dass es noch viele weitere geben wird, veranschaulichen, wie britische Astronomen mit innovativen Entdeckungen beitragen. “
Mehr Informationen
Die in dieser Pressemitteilung beschriebenen Ergebnisse erscheinen in Kürze in der Forschungszeitschrift Astrophysical Journal ("Leuchtende Lyman-Bruchgalaxien bei z> 5 und die Quelle der Reionisierung" von M. D. Lehnert und M. Bremer). Es ist elektronisch als astro-ph / 0212431 erhältlich.
Anmerkungen
[1]: Dies ist eine koordinierte Pressemitteilung von ESO / PPARC. Die PPARC-Version der Version finden Sie hier.
[2]: Diese Arbeit wurde von Malcolm Bremer (Universität Bristol, Großbritannien) und Matthew Lehnert (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland) durchgeführt.
[3]: Die gemessenen Rotverschiebungen der Galaxien im Bremer Deep Field betragen z = 4,8-5,8, mit einer unerwarteten (und überraschenden) Rotverschiebung von 6,6. In der Astronomie bezeichnet die Rotverschiebung den Bruchteil, um den die Linien im Spektrum eines Objekts zu längeren Wellenlängen verschoben werden. Die beobachtete Rotverschiebung einer entfernten Galaxie liefert eine Schätzung ihrer Entfernung. Die im vorliegenden Text angegebenen Entfernungen basieren auf einem Alter des Universums von 13,7 Milliarden Jahren. Bei der angegebenen Rotverschiebung wird die Lyman-Alpha-Linie von atomarem Wasserstoff (Restwellenlänge 121,6 nm) bei 680 bis 920 nm beobachtet, d. H. Im roten Spektralbereich.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
