Komunikat prasowy

ALMA po raz pierwszy świadkiem procesów zachodzących w galaktykach we wczesnym Wszechświecie

22 lipca 2015

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) została użyta do wykrycia najbardziej odległych gwiazdotwórczych obłoków gazu odnalezionych jak dotąd w zwykłych galaktykach we wczesnych Wszechświecie. Nowe obserwacje pozwalają astronomom rozpocząć oglądanie w jaki sposób pierwsze galaktyki się formowały i w jaki sposób wyczyściły kosmiczną mgłę podczas ery rejonizacji. Jest to pierwszy raz, gdy takie galaktyki są widoczne dokładniej niż tylko jako słabe plamki.

Gdy kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu zaczęły się formować pierwsze galaktyki, Wszechświat był wypełniony mgłą gazu wodorowego. Ale gdy zaczęła świecić coraz większa liczba jasnych źródeł – zarówno gwiazd, jak i kwazarów zasilanych olbrzymimi czarnymi dziurami – wyczyściły mgłę i uczyniły Wszechświat przezroczystym dla promieniowania ultrafioletowego [1]. Astronomowie nazywają ten okres epoką rejonizacji, ale o tych pierwszych galaktykach niewiele wiadomo, a do tej pory obserwowane je jedyne jako bardzo słabe plamki. Nowe obserwacje korzystające z mocy ALMA zaczynają to zmieniać.

Zespół astronomów, którym kierował Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory oraz Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Wielka Brytania) skierował ALMA na galaktyki, o których wiadomo iż widoczne są w okresie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu [2]. Astronomowie nie szukali światła od gwiazd, zamiast tego chcieli dostrzec słabą poświatę od zjonizowanego węgla [3], pochodzącą od obłoków gazu, z których powstawały pierwsze gwiazdy. Planowali zbadać interakcje pomiędzy młodą generacją gwiazd, a zimnymi zagęszczeniami łączącymi się w pierwsze galaktyki.

Nie szukali także bardzo jasnych, rzadkich obiektów – takich jak kwazary i galaktyki o bardzo dużym tempie powstawania gwiazd – które obserwowano do tej pory. Zamiast tego skoncentrowali się na czymś znacznie mniej dramatycznym, ale za to znacznie bardziej powszechnym: na galaktykach, które zrejonizowały Wszechświat, a później weszły w skład galaktyk, które widzimy obecnie dookoła.

W przypadku jednej z galaktyk — oznaczonej jako BDF 3299 — ALMA była w stanie uchwycić słaby, ale wyraźny sygnał od świecącego węgla. Jednak ta poświata nie pochodziła z centrum galaktyki, a bardziej z jednego jej brzegu .

Współautorka Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Piza, Włochy) wyjaśnia znaczenie nowych badań: „Jest to najodleglejsze w historii wykrycie tego typu emisji od ‘normalnej’ galaktyki, widzianej w okresie mniej niż miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Daje nam to szansę na oglądanie powstawania pierwszych galaktyk. Po raz pierwszy widzimy wczesne galaktyki nie tylko jako niewielkie plamki, ale jako obiekty z wewnętrzną strukturą!”

Astronomowie uważają, że położenie świecenia poza centrum jest spowodowane tym, że centralne obłoki zostały rozerwane przez gwałtowne środowisko wytworzone przez nowo uformowane gwiazdy – zarówno przez ich intensywne promieniowanie, jak i skutki wybuchów supernowych. Poświata od węgla pozwala śledzić w jaki sposób świeży, zimny gaz jest akreowany z ośrodka międzygalaktycznego.

Dzięki połączeniu obserwacji z ALMA razem z symulacjami komputerowymi, stało się możliwe szczegółowe zrozumienie procesów zachodzących w pierwszych galaktykach. Efekty promieniowania od gwiazd, przetrwanie obłoków molekularnych, ucieczka promieniowania jonizującego i złożona struktura ośrodka międzygwiazdowego mogą teraz być obliczane i porównywane z obserwacjami. BDF 3299 wydaje się być typowym przykładem galaktyki odpowiedzialnej za rejonizację.

„Od wielu lat próbujemy zrozumieć ośrodek międzygwiazdowy i powstawanie źródeł rejonizacji. W końcu możemy testować przewidywania i hipotezy na rzeczywistych danych z ALMA, co jest ekscytującym momentem i rodzi nowe pytania. Ten rodzaj obserwacji wyjaśni wiele trudnych problemów, które mieliśmy z formowanie się pierwszych gwiazd i galaktyk we  Wszechświecie” dodaje Andrea Ferrara.

Roberto Maiolino podsumowuje: „Nasze badania po prostu nie byłyby możliwe bez ALMA, gdyż żaden inny instrument nie ma takiej czułości  i wymaganej rozdzielczości przestrzennej. Chociaż są to jedne z najgłębszych obserwacji ALMA wykonanych do tej pory, ciągle jeszcze jesteśmy daleko od osiągnięcia limitu jej możliwości. W przyszłości ALMA będzie wykonywać obrazy struktur w pierwotnych galaktykach i szczegółowo śledzić proces powstawania najstarszych galaktyk.”

Uwagi

[1] Gaz wodoru neutralnego bardzo efektywnie absorbuje całe wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez młode, gorące gwiazdy. W efekcie gwiazdy te są prawie niemożliwe do zaobserwowania we wczesnych Wszechświecie. Zaabsorbowane światło ultrafioletowe jednocześnie jonizuje wodór, czyniąc go w pełni przezroczystym. Zatem gorące gwiazdy rzeźbiły przezroczyste bąble w gazie. Gdy wszystkie bąble się połączyły i wypełniły cały kosmos, rejonizacja była kompletna i Wszechświat stał się przezroczysty.

[2] Mają przesunięcie ku czerwieni od 6,8 do 7,1.

[3] Astronomowie są szczególnie zainteresowani zjonizowanym węglem, gdyż jego szczególna linia widmowa unosi większość energii dostarczonej przez gwiazdy i pozwala astronomom śledzić chłodny gaz, z którego formują się gwiazdy. W szczególności, zespół poszukiwał emisji od jednokrotnie zjonizowanego węgla (znanego jako [C II]). Jego promieniowanie jest emitowane na fali o długości 158 mikrometrów, a po rozciągnięciu na skutek rozszerzania się Wszechświata dociera do ALMA jako fale o długości wykrywane na długości około 1,3 milimetra.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule pt.: “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA”, R. Maiolino et al., który ukaże się 22 lipca 2015 r. w “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.

Skład zespołu badawczego: R. Maiolino (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, Wielka Brytania; Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, Wielka Brytania) S. Carniani (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology; Universitá di Firenze, Florencja, Włochy), A. Fontana (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Piza, Włochy; Universitá di Bologna, Bolonia, Włochy), L. Pentericci (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Piza, Włochy), E. Vanzella (INAF–Bologna Astronomical Observatory, Bolonia, Włochy), A. Grazian (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Piza, Włochy), M. Castellano (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), S. Cristiani (INAF–Trieste Astronomical Observatory, Triest, Włochy), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA), P. Santini (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Jodrell Bank Observatory, Wielka Brytania) oraz R. Williams (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology).

Międzynarodowy kompleks astronomiczny ALMA działa w ramach partnerstwa pomiędzy ESO, amerykańską National Science Foundation (NSF) oraz japońskim National Institutes of Natural Sciences (NINS), we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana przez ESO w imieniu jego krajów członkowskich, przez NSF, w porozumieniu z National Research Council of Canada (NRC) oraz National Science Council of Taiwan (NSC), a także przez NINS w porozumieniu z Academia Sinica (AS) na Tajwanie oraz Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

Konstrukcja i użytkowanie ALMA jest kierowane przez ESO w imieniu jego krajów członkowskich, w imieniu Ameryki Północnej przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), a w imieniu Azji Wschodniej przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia wspólne kierowanie i zarządzanie konstrukcją, testowaniem i użytkowaniem ALMA.

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop E-ELT (European Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia ALMA

Kontakt

Roberto Maiolino
Cavendish Laboratory & Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge
Cambridge, United Kingdom
Tel.: +44 1223 761661
Tel. kom.: +44 7557 774718
E-mail: r.maiolino@mrao.cam.ac.uk

Andrea Ferrara
Scuola Normale Superiore
Pisa, Italy
Tel. kom.: +39 329 0715067
E-mail: andrea.ferrara@sns.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych