Lehdistötiedote

Miksi monissa kaukaisten galaksien kartoituksissa jää huomiotta 90 % kohteista?

24. maaliskuuta 2010

Tähtitieteilijät ovat jo kauan tienneet, että monissa kaukaisimman universumin kartoituksissa hukataan suuri osa valon todellisesta kokonaismäärästä. Tutkijat ovat nyt vahvistaneet, että suuri osa galakseista, joiden valolta on kestänyt 10 miljardia vuotta matkata meille saakka, on jäänyt aiemmin havaitsematta. Tähän tulokseen päädyttiin syvällekäyvässä kartoituksessa, jossa käytettiin kahta ESOn VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) neljästä 8,2-metrisestä jättiläiskaukoputkesta sekä erikoisrakenteista suodinta. Kartoituksessa löydettiin myös eräitä himmeimpiä koskaan havaittuja universumin varhaisvaiheen galakseja.

Tähtitieteilijät käyttävät hyvin kaukaisessa universumissa syntyneiden tähtien määrän mittaamiseen usein vedyn säteilemälle valolle ominaista vahvaa sormenjälkeä, joka tunnetaan Lyman-alfa-viivana [1]. Pitkään on kuitenkin epäilty, että monet kaukaisista galakseista jäävät näissä kartoituksissa huomaamatta. Uusi VLT-kartoitus osoitti ensimmäistä kertaa, että näin todellakin käy. Suurin osa Lyman-alfa-valosta jää vangiksi valon lähteenä olevan galaksin sisään. Galakseista 90 % jää siten Lyman-alfa-kartoituksissa näkymättömiin.

”Tähtitieteilijät ovat aina tienneet, että Lyman-alfa-kartoitus ei tavoita tiettyä osaa galakseista. Tämä osuus on nyt ensi kertaa onnistuttu mittaamaan. Havaitsematta jäävien galaksien lukumäärä on huomattava”, selittää Nature-lehdessä tällä viikolla ilmestyvän artikkelin pääkirjoittaja Matthew Hayes.

Hayes tutkijaryhmineen halusi selvittää, kuinka paljon kokonaiskirkkaudesta jää havaitsematta. Ryhmä käytti tähän tarkoitukseen VLT-teleskooppiin liitettyä FORS-kameraa sekä erikoisrakenteista kapeakaistasuodinta [2], joka oli tavanomaisten Lyman-alfa-havainnointien tavoin tarkoitettu Lyman-alfa-valon mittaamiseen. Tämän jälkeen ryhmä etsi avaruuden samalta alueelta valoa, jota hehkuva vety säteilee toisella aallonpituudella. Se tunnetaan H-alfa-viivana. Tähän tarkoitukseen ryhmä käytti VLT-teleskoopin toiseen yksikköön liitettyä uutta HAWK-I-kameraa. Tutkijat etsivät GOODS-South-kenttänä tunnetulta perusteellisesti tutkitulta taivaanalueelta nimenomaan galakseja, joiden valo on matkannut avaruudessa 10 miljardin vuoden ajan (punasiirtymä 2,2 [3] ).

”Tämä on ensimmäinen kerta, kun havainnoimme tiettyä taivaanaluetta yhtä syvällekäyvästi juuri näillä kahdella vedyn aallonpituudella. Koe osoittautuikin ratkaisevan tärkeäksi”, kertoo tutkimusryhmän jäsen Göran Östlin. Kartoitus oli erittäin syvällekäyvä ja paljasti joukon himmeimpiä universumin varhaiskaudelta tunnettuja galakseja. Tuloksen perusteella tähtitieteilijät pystyivät päättelemään, että perinteisissä Lyman-alfa-kartoituksissa näkyy vain pieni osa maailmankaikkeudessa syntyvän valon kokonaismärästä. Tämä johtuu siitä, että suurin osa Lyman-alfa-fotoneista tuhoutuu joutuessaan kosketuksiin tähtienvälisten kaasu- ja pölypilvien kanssa. Ilmiö vaikuttaa Lyman-alfa-valoon huomattavasti voimakkaammin kuin H-alfa-valoon. Sen tuloksena monet galakseista – jopa 90 % niistä – jäävät havaitsematta. ”Jos havaittuja galakseja on kymmenen, todellinen määrä voi olla jopa sata”, Hayes kiteyttää.

Eri aallonpituuksilla emittoidun valon mittaamiseen tarkoitetut eri havaintomenetelmät tuottavat universumista väistämättä vain osittaisen kuvan. Tutkimuksen tulos on kosmologeille vakava varoitus, sillä vahvaan Lyman-alfa-puumerkkiin luotetaan yhä useammin tutkittaessa aivan universumin historian alussa muodostuneita galakseja. ”Nyt kun nyt tiedämme, kuinka paljon valosta on jäänyt havaitsematta, voimme laatia kosmoksesta paljon tarkempia kuvauksia. Meillä on nyt paljon parempi käsitys siitä, kuinka nopeasti tähdet ovat universumin eri ikävaiheissa muodostuneet”, toteaa artikkelin toinen kirjoittaja Miguel Mas-Hesse.

Läpimurron mahdollisti ainutlaatuinen kamera. Ensi kertaa vuonna 2007 käytetty HAWK-I edustaa alansa huipputekniikkaa. ”On olemassa vain muutamia kameroita, joiden kuvakenttä on laajempi kuin HAWK-I:n, ja ne on asennettu teleskooppeihin, jotka ovat kooltaan alle puolet VLT:stä. Vain VLT:n ja HAWK-I:n yhdistelmä pystyy paikallistamaan näin himmeinä näkyvät galaksit tehokkaasti näin pitkien välimatkojen päästä”, kertoo tutkijaryhmän jäsen Daniel Schaerer.

Lisähuomiot

[1] Lyman-alfa-valo säteilee eli emittoituu virittyneestä vedystä, kun atomiydintä kiertävä elektroni hyppää ensimmäiseltä virittyneeltä tasolta alimmalle energiatasolle eli perustasolle. Se emittoituu ultraviolettialueella 121,6 nanometrin aallonpituudella. Lyman-alfa-viiva on ensimmäinen spektriviiva niin kutsutussa Lymanin sarjassa, joka on saanut nimensä keksijänsä Theodore Lymanin mukaan. Keksijänsä Johann Balmerin mukaan nimetty Balmerin sarja vastaa niin ikään virittyneen vedyn emittoimaa valoa. Tässä tapauksessa elektroni putoaa ensimmäiselle virittyneelle tasolle. Sarjan ensimmäinen viiva on 656,3 nanometrin aallonpituudella emittoituva H-alfa-viiva. Koska suurin osa galaksissa esiintyvistä vetyatomeista on viritykseltään perustasolla, Lyman-alfa-valo absorboituu tehokkaammin kuin H-alfa-valo, jossa elektronin on oltava toisella energiatasolla. Koska tämä on galakseja läpäisevässä kylmässä tähtienvälisessä vedyssä hyvin epätavallista, H-alfa-valo läpäisee kaasun lähes täysin.

[2] Kapeakaistasuodin on optinen suodin, joka päästää valosta lävitseen vain tietyn kapean aallonpituuskaistan. Perinteiset kapeakaistasuotimet keskittyvät Balmerin sarjan spektriviivoihin, joihin kuuluu esimerkiksi H-alfa.

[3] Koska universumi laajenee, kaukaisen kohteen valo siirtyy spektrin punaisempaa päätä eli pidempiä aallonpituuksia kohti sen mukaan, miten kaukana kohde sijaitsee. Punasiirtymä 2,2 on ominainen galakseille, joiden valolta on kulunut noin 10 miljardia vuotta saapua meille saakka. Se tarkoittaa, että valo on venynyt kertoimella 3,2. Lyman-alfa-valo näkyy tällöin noin 390 nanometrin aallonpituudella, lähellä näkyvän valon aluetta, ja voidaan havaita ESOn VLT-teleskooppiin liitetyllä FORS-instrumentilla. H-alfa-viiva puolestaan on siirtynyt kohti 2,1:tä mikronia lähi-infrapuna-alueelle ja voidaan havaita VLT-teleskooppiin liitetyllä HAWK-I-instrumentilla.

Lisätietoa

Hankkeen tutkimustulokset on esitelty Nature-lehdessä ilmestyvässä artikkelissa (”Escape of about five per cent of Lyman- photons from high-redshift star-forming galaxies”, M. Hayes et al.).

Tutkimusryhmään kuuluvat Matthew Hayes, Daniel Schaerer ja Stéphane de Barros (Observatoire Astronomique de l'Université de Genève, Sveitsi), Göran Östlin ja Jens Melinder (Tukholman yliopisto, Ruotsi), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, Espanja), Claus Leitherer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Yhdysvallat), Hakim Atek ja Daniel Kunth (Institut d'Astrophysique de Paris, Ranska) sekä Anne Verhamme (Oxford Astrophysics, Iso-Britannia).

ESO (European Southern Observatory, Euroopan eteläinen observatorio) on tähtitieteen keskeinen eurooppalainen hallitustenvälinen organisaatio. Se on tuottavuudella mitattuna maailman johtava tähtitieteellinen observatorio. Sen toimintaa tukee 14 maata: Alankomaat, Belgia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekki. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maassa sijaitsevien tutkimusvälineiden kehittämiseen, rakentamiseen ja toimintaan. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä tärkeitä tieteellisiä havaintoja. ESOlla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen ja kansainvälisen yhteistyön edistämisessä. ESOlla on Chilessä kolme huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESOlla on Paranalissa VLT-teleskooppi (Very Large Telescope), maailman kehittynein näkyvän valon aallonpituuksia havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, sekä VISTA, maailman suurin kartoituskaukoputki. ESO on maailman suurimman tähtitieteen alan projektin, täysin uudenlaisen ALMA-teleskoopin, eurooppalainen yhteistyökumppani. ESO suunnittelee 42-metristä E-ELT-teleskooppia (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, eurooppalainen erittäin suuri optinen/lähi-infrapuna-alueen teleskooppi), josta tulee maailman suurin tähtitaivasta tarkkaileva silmä..

Linkit

• Tutkimusartikkeli

Yhteystiedot

Matt Hayes
Observatory of Geneva, Switzerland
Puh.: +41 22 379 24 32
Matkapuhelin: +41 76 243 13 55
Sähköposti: matthew.hayes@unige.ch

Miguel Mas-Hesse
Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), Spain
Puh.: +34 91 813 1196/1161
Matkapuhelin: +34 615145651
Sähköposti: mm@cab.inta-csic.es

Göran Östlin
Department of Astronomy
Stockholm University, Sweden
Puh.: +46 8 55 37 85 13
Sähköposti: ostlin@astro.su.se

Henri Boffin
VLT Press Officer
ESO, Garching, Germany
Puh.: +49 89 3200 6222
Matkapuhelin: +49 174 515 43 24
Sähköposti: hboffin@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media