Lehdistötiedote

Etäiset galaksit paljastavat kosmisen sumun selkenemisen

Uudet VLT-havainnot kartoittavat reionisaation aikajanaa

12. lokakuuta 2011

Tutkijat ovat käyttäneet ESO:n VLT-teleskooppia luodatakseen varhaista maailmankaikkeutta eri aikoina sen muuttuessa läpinäkyväksi ultraviolettivalolle. Tämä lyhyt, mutta dramaattinen reionisaationa tunnettu vaihe kosmisessa historiassa tapahtui noin 13 miljardia vuotta sitten. Tutkimalla huolellisesti joitakin etäisimmistä koskaan havaituista galakseista tutkimusryhmä on selvittänyt reionisaation aikajanan ensimmäistä kertaa. He osoittivat myös, että tämän vaiheen on täytynyt tapahtua nopeammin kuin tähtitieteilijät aiemmin ajattelivat.

Kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä käytti VLT-teleskooppia aikakoneena, katsoen varhaiseen maailmankaikkeuteen ja havaiten useita etäisimmistä milloinkaan löydetyistä galakseista. He saattoivat mitata niiden etäisyydet tarkasti ja totesivat, että me voimme nähdä ne sellaisina kuin ne olivat 780 miljoonasta miljardiin vuotta alkuräjähdyksen jälkeen [1].

Uudet havainnot mahdollistivat tähtitieteilijöiden määrittää reionisaatiokaudeksi [2] kutsutun vaiheen aikajanan ensimmäistä kertaa. Tämän vaiheen aikana varhaisen maailmankaikkeuden vetykaasusumu hälveni, sallien ultraviolettivalon kulkea häiriöttä ensimmäistä kertaa.

Uudet tutkimustulokset, jotka ilmestyvät tiedejulkaisusarjassa Astrophysical Journal, rakentuvat tutkimusryhmän VLT-teleskoopilla viimeisten kolmen vuoden aikana suorittaman pitkän ja järjestelmällisen etäisten galaksien etsinnän varaan.

"Arkeologit voivat rekonstruoida menneiden tapahtumien aikajanan maaperän eri kerroksista löytämiensä artefaktien perusteella. Tähtitieteilijät pääsevät pitemmälle: me voimme katsoa suoraan kaukaiseen menneisyyteen ja havaita erilaisten galaksien heikkoa valoa kosmisen evoluution eri vaiheissa," selittää projektia johtanut Adriano Fontana, Rooman tähtitieteellisestä INAF-observatoriosta. "Galaksien eroavuudet kertovat meille maailmankaikkeuden muuttuvista olosuhteista tämän tärkeän vaiheen aikana ja kuinka nopeasti nämä muutokset tapahtuivat."

Erilaiset kemialliset alkuaineet hohtavat kirkkaasti niille luonteenomaisissa väreissä. Nämä piikit kirkkaudessa tunnetaan emissioviivoina. Yksi vahvimmista ultraviolettivalon emissioviivoista on Lyman-alfa -viiva, joka tulee vetykaasusta [3]. Se on kirkas ja riittävän hyvin tunnistettava, jotta se voidaan nähdä jopa hyvin himmeiden ja kaukaisten galaksien havainnoissa.

Lyman-alfa -viivan havaitseminen viidestä erittäin kaukaisesta galaksista [4] salli tutkimusryhmän tehdä kaksi tärkeää asiaa: ensinnäkin, havaitsemalla kuinka kauas viivat olivat siirtyneet kohti spektrin punaista päätä, he pystyivät määrittämään galaksien etäisyydet ja siten kuinka pian alkuräjähdyksen jälkeen ne nähtiin [5]. Tämän ansiosta ne saatettiin pistää järjestykseen, jolla luotiin aikajana, josta nähdään kuinka galaksien valo kehittyi ajan myötä. Toiseksi, he saattoivat nähdä kuinka pitkälti galaksien hohtavasta vedystä lähtöisin oleva Lyman-alfa -säteily uudelleenabsorboitui galaksien välisen avaruuden neutraaliin vetysumuun eri aikoina.

"Me näemme dramaattisen eron otoksemme varhaisimpien ja myöhäisimpien galaksien peittyneen ultraviolettivalon määrässä," kertoo tiedejulkaisun pääkirjoittaja Laura Pentericci Rooman tähtitieteellisestä INAF-observatoriosta. "Kun maailmankaikkeus oli vain 780 miljoonan vuoden ikäinen tätä neutraalia vetyä oli runsaasti. Se täytti 10% - 50% maailmankaikkeuden tilavuudesta. Mutta vain 200 miljoonaa vuotta myöhemmin neutraalin vedyn määrä oli pudonnut hyvin alhaiselle tasolle, joka on samaa luokkaa nykyisen kanssa. Vaikuttaa siltä, että reionisaatio tapahtui nopeammin kuin tähtitieteilijät aiemmin ajattelivat."

Sen lisäksi, että tutkimusryhmän havainnot luotasivat varhaisen sumun hälvenemisen nopeutta, ne myös vihjaavat reionisaation tapahtumiselle välttämättömän energian tuottaneen ultraviolettivalon todennäköisestä alkuperästä. On useita kilpailevia teorioita siitä, mistä tämä valo oli lähtöisin - kaksi tärkeintä ovat maailmankaikkeuden ensimmäisen sukupolven tähdet [6] ja mustiin aukkoihin syöksyvän materian lähettämä kiihkeä säteily.

"Kahdesta etäisimmästä löytämästämme galaksista mitatun heikon valon yksityiskohtainen analyysi vihjaa, että ensimmäinen tähtisukupolvi saattoi vaikuttaa havaitun energian määrään," sanoo tutkimusryhmän jäsen, Eros Vanzella Triesten INAF observatoriosta. "Nämä ovat olleet hyvin nuoria ja massiivisia tähtiä, noin viisi tuhatta kertaa nuorempia ja sata kertaa massiivisempia kuin Aurinko, ja ne saattoivat kyetä hajoittamaan varhaisen sumun ja tekemään sen läpinäkyväksi."

Tämän hypoteesin vahvistamisen tai kumoamisen ja tähtien energiantuotannon riittävyyden vaatimat erittäin tarkat mittaukset edellyttävät havaintoja avaruudesta tai ESO:n suunnitteilla olevalla Euroopan ELT-teleskoopilla, joka tulee olemaan maailman suurin taivasta tutkiva silmä, kun se valmistuu varhain ensi vuosikymmenellä.

Tämän kosmisen historian varhaisen vaiheen tutkiminen on teknisesti haastavaa, koska se vaatii tarkkoja havaintoja erittäin kaukaisista ja heikkovaloisista galakseista, mitä voi yrittää vain kaikkein tehokkaimmilla teleskoopeilla. Tässä tutkimuksessa tutkimusryhmä käytti 8.2-metrisen VLT-teleskoopin suurta valonkeruutehoa tehdäkseen spektroskooppisia havaintoja galakseista, jotka oli alunperin löydetty NASA:n ja ESA:n Hubblen avaruusteleskooppilla ja VLT-teleskoopin erittäin pitkien valotusten kuvista.

Lisähuomiot

[1] Etäisin galaksi, jolle on mitattu etäisyys spektroskopialla, on punasiirtymällä 8.6, mikä tarkoittaa aikaa 600 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen (eso1041). Hubblen avaruusteleskoopin uskotaan löytäneen galaksin punasiirtymällä 10 (480 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen), mutta havainto vaatii vielä varmistuksen. Etäisin galaksi tässä tutkimuksessa on punasiirtymällä 7.1, mikä sijoittaa sen aikaan 780 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Nykyään maailmankaikkeus on 13.7 miljardia vuotta vanha. Uusi viiden vahvistetun galaksin otos, joista on mitattu Lyman-alfa -säteilyä (20 ehdokkaasta), käsittää puolet kaikista tunnetuista yli 7:n punasiirtymällä sijaitsevista galakseista.

[2] Ensimmäisten tähtien ja galaksien muodostuessa maailmankaikkeus oli täynnä sähköisesti neutraalia vetykaasua, joka absorboi ultraviolettivaloa. Näiden varhaisten galaksien ultraviolettisäteilyn virittäessä kaasua, tehden sen sähköisesti varautuneeksi eli ionisoiduksi, tuli se vähitellen läpinäkyväksi ultraviolettivalolle. Tämä prosessi tunnetaan teknisellä termillä reionisaatio. Samoin uskotaan tapahtuneen ensimmmäisten sadan tuhannen vuoden aikana alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin vety ionisoitui.

[3] Tutkimusryhmä mittasi vetysumun vaikutuksia käyttäen spektroskopiaa, tekniikkaa, jossa galaksista tuleva valo hajoitetaan ja levitetään osaväreihinsä, samoin kuin prisma hajoittaa auringonvalon sateenkaareksi.

[4] Tutkimusryhmä käytti VLT-teleskooppia tutkiakseen 20 kandidaattigalaksin spektriä lähellä punasiirtymää 7. Ne on mitattu kolmen eri alueen hyvin pitkäaikaisista havainnoinneista. Näistä 20 kohteesta viidellä havaittiin selvää Lyman-alfa -säteilyä. Tämä on tällä hetkellä ainoa spektroskooppisesti vahvistettu ryhmä galakseja punasiirtymällä z=7.

[5] Koska maailmankaikkeus laajenee, valaisevista kohteista lähteneen valon aallonpituus venyy sen kulkiessa avaruuden halki. Mitä pitemmälle valo matkaa, sitä enemmän sen aallonpituus venyy. Koska punainen on pisin paljaalle silmälle näkyvä aallonpituus, ilmiön erittäin kaukaisille kohteille aiheuttama tyypillinen punainen väri on saanut nimen 'punasiirtymä'. Vaikka se on teknisesti määrite sille kuinka kohteen valon väri on muuttunut, on se myös mitta sekä kohteen etäisyydelle että maailmankaikkeuden iälle valon lähtöhetkellä.

[6] Tähtitieteilijät luokittelevat tähdet kolmeen luokkaan, jotka tunnetaan populaation I, populaation II ja populaation III tähtinä. Populaation I tähdet, kuten oma Aurinkomme, sisältävät runsaasti vanhempien tähtien ytimissä ja supernovaräjähdyksissä syntyneitä raskaita alkuaineita: ne ovat syntyneet varhaisempien tähtisukupolvien jäänteistä ja esiintyvät vasta myöhemmin maailmankaikkeuden historiassa. Populaation II tähdissä on vähemmän raskaita alkuaineita ja ne koostuvat pääasiallisesti alkuräjähdyksessä syntyneistä vedystä, heliumista ja litiumista. Ne ovat vanhempia tähtiä, joskin monia niistä on yhä olemassa maailmankaikkeudessa. Populaation III tähtiä ei ole milloinkaan havaittu suoraan, joskin niitä uskotaan esiintyneen maailmankaikkeuden varhaisimpina aikoina. Koska nämä tähdet koostuvat vain alkuräjähdyksessä muodostuneesta aineesta, niissä ei ole lainkaan raskaita alkuaineita. Raskaiden alkuaineiden vaikutuksista tähtienmuodostuksessa voidaan päätellä vain hyvin suurten ja erittäin lyhytikäisten tähtien muodostuneen tässä vaiheessa ja siten kaikki populaation III tähdet päättivät pikaisesti päivänsä supernovaräjähdyksissä maailmankaikkeuden alkuaikoina. Mitään varmaa todistetta populaation III tähdistä ei todellakaan ole löytynyt edes kaikkein kaukaisimpien galaksien tutkimuksissa.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tieteellisessä artikkelissa “Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGS: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization”, joka ilmestyy tiedejulkaisusarjassa Astrophysical Journal.

Tutkimusryhmään kuuluvat L.Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rooma, Italia [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Trieste, Italia [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Saksa), 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, Euroopan eteläinen observatorio, on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, vallankumouksellisen ALMA-teleskoopin eurooppalainen yhteistyökumppani. Parhaillaan ESO suunnittelee 40-metrin kokoluokan optisen/lähi-infrapuna-alueen European Extremely Large -teleskooppia (E-ELT) josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

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

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Puh.: +39 06 94 286 456
Sähköposti: adriano.fontana@oa-roma.inaf.it

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Sähköposti: rhook@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