กล้องโทรทรรศน์ซูบารุทรงพลังในฮาวายได้ค้นพบกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมาซึ่งอยู่ห่างออกไป 12.88 พันล้านปีแสง - นี่เป็นเพียง 780 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง การสังเกตวัตถุที่อยู่ห่างไกลนี้เป็นเรื่องยากมากไม่เพียงเพราะระยะทางไกล ๆ ที่เกี่ยวข้อง แต่เพราะจักรวาลส่วนใหญ่ถูกบดบังหลังไฮโดรเจนที่เป็นกลาง จากนั้นดาวก็เริ่มล้างไฮโดรเจนเป็นกลางนี้ออกไปทำให้จักรวาลโปร่งใส
นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Subaru ใน Hawai'i ได้มองย้อนเวลาไปนานกว่า 60 ล้านปีก่อนนักดาราศาสตร์คนอื่น ๆ เพื่อค้นหากาแลคซีที่รู้จักไกลที่สุดในจักรวาล ในการทำเช่นนี้พวกเขาสนับสนุนการบันทึกของ Subaru เพื่อค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดและเก่าแก่ที่สุดที่รู้จัก การค้นพบครั้งล่าสุดของพวกเขาคือกาแลคซีชื่อ I0K-1 ซึ่งอยู่ไกลมากนักดาราศาสตร์มองเห็นมันเมื่อมันปรากฎเมื่อประมาณ 12.88 พันล้านปีก่อน
การค้นพบนี้อ้างอิงจากการสำรวจของ Masanori Iye แห่งหอดูดาวดาราศาสตร์แห่งชาติญี่ปุ่น (NAOJ), Kazuaki Ota ของมหาวิทยาลัยโตเกียว, โนบุนาริคาชิคาว่า NAOJ และคนอื่น ๆ ระบุว่ากาแลคซีอยู่เพียง 780 ล้านปี ประมาณ 13.66 พันล้านปีก่อนเป็นซุปร้อนๆของอนุภาคมูลฐาน
ในการตรวจจับแสงจากกาแลคซีนี้นักดาราศาสตร์ใช้กล้อง Suprime-Cam ของกล้องโทรทรรศน์ซูบารุที่ติดตั้งตัวกรองพิเศษเพื่อมองหากาแลคซีที่อยู่ห่างไกล พวกเขาพบวัตถุ 41,533 ชิ้นและจากกาแลคซีผู้สมัครสองคนที่ระบุเพื่อศึกษาต่อโดยใช้กล้องวัตถุเลือนลางและสเปคโตรกราฟ (FOCAS) ในซูบารุ พวกเขาพบว่า IOK-1 ซึ่งสว่างกว่าของทั้งสองนั้นมีแดงที่ 6.964 ยืนยันระยะทาง 12.88 พันล้านปีแสง
การค้นพบนี้ท้าทายนักดาราศาสตร์เพื่อกำหนดว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่าง 780 ถึง 840 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง IOK-1 เป็นหนึ่งในสองกาแลคซีในการศึกษาใหม่ที่อาจเป็นของยุคที่อยู่ห่างไกลนี้ จากจำนวนกาแลคซีที่ค้นพบจาก 840 ล้านปีหลังจากบิกแบงทีมวิจัยคาดว่าจะพบกาแลคซีมากถึงหกแห่งในระยะนี้ การเปรียบเทียบความหายากของวัตถุอย่าง IOK-1 หมายความว่าเอกภพจะต้องเปลี่ยนแปลงไปกว่า 60 ล้านปีที่แยกยุคทั้งสองออก
การตีความที่น่าตื่นเต้นที่สุดของสิ่งที่เกิดขึ้นคือเรากำลังเห็นเหตุการณ์ที่นักดาราศาสตร์รู้จักในฐานะการทำให้ไอออนกลับคืนมาของจักรวาล ในกรณีนี้ 780 ล้านปีหลังจากบิกแบงเอกภพยังคงมีไฮโดรเจนเป็นกลางเพียงพอที่จะปิดกั้นมุมมองของกาแลคซีวัยเยาว์ของเราโดยการดูดซับแสงที่เกิดจากดาวฤกษ์อายุน้อยของพวกมัน หกสิบล้านปีต่อมามีดาวฤกษ์อายุน้อยจำนวนมากพอที่จะทำให้ไฮโดรเจนเป็นกลางที่เหลืออยู่ทำให้จักรวาลโปร่งใสและทำให้เราเห็นดาวของพวกมันได้
การตีความผลอีกครั้งบอกว่ามีกาแลคซีเด็กเล็กและสว่างน้อยกว่า 780 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงกว่า 60 ล้านปีต่อมา ในกรณีนี้การปฏิรูปใหม่ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นก่อนหน้านี้เมื่อ 12.88 พันล้านปีก่อน
ไม่ว่าการตีความหมายใดจะเกิดขึ้นในที่สุดการค้นพบก็ส่งสัญญาณว่านักดาราศาสตร์กำลังขุดแสงจาก“ ยุคมืด” ของจักรวาล นี่คือยุคเมื่อดาวและกาแล็กซี่รุ่นแรกเข้ามามีอยู่และเป็นยุคที่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถสังเกตได้จนถึงขณะนี้
ข้อมูลพื้นฐาน:
โบราณคดีของจักรวาลยุคแรกโดยใช้ตัวกรองพิเศษ
กาแลคซีแรกเกิดประกอบด้วยดาวที่มีมวลหลากหลาย ดาวที่หนักกว่าจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและปล่อยรังสีอุลตร้าไวโอเลตที่ทำให้ความร้อนและไอออไนซ์แก๊สใกล้เคียง เมื่อก๊าซเย็นตัวลงมันจะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไปเพื่อให้สามารถกลับสู่สถานะที่เป็นกลาง ในกระบวนการนี้ไฮโดรเจนจะเปล่งแสงที่ 121.6 นาโนเมตรเรียกว่าเส้นลายแมน - อัลฟา กาแลคซีใด ๆ ที่มีดาวฤกษ์ร้อนแรงหลายดวงควรส่องแสงสว่างในช่วงความยาวคลื่นนี้ ถ้าดาวก่อตัวขึ้นในครั้งเดียวดวงดาวที่สว่างที่สุดสามารถเปล่งแสงของ Lyman-alpha ได้ในระยะเวลา 10 ถึง 100 ล้านปี
เพื่อศึกษากาแลคซีอย่าง IOK-1 ที่มีอยู่ในช่วงแรกของเอกภพนักดาราศาสตร์จะต้องค้นหาแสง Lyman-alpha ที่ยืดและเปลี่ยนเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นเมื่อเอกภพขยายตัว อย่างไรก็ตามที่ความยาวคลื่นนานกว่า 700 นาโนเมตรนักดาราศาสตร์ต้องจัดการกับการปล่อยก๊าซเบื้องหน้าจากโมเลกุล OH ในชั้นบรรยากาศของโลกที่รบกวนการปล่อยมลพิษจากวัตถุที่อยู่ห่างไกล
ในการตรวจจับแสงจาง ๆ จากกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปทีมวิจัยได้ทำการสำรวจที่ความยาวคลื่นที่ชั้นบรรยากาศของโลกไม่ส่องแสงมากนักผ่านหน้าต่างที่ 711, 816 และ 921 นาโนเมตร หน้าต่างเหล่านี้สอดคล้องกับการปล่อย Lyman-alpha จากกาแลคซีที่มีการเปลี่ยนสีแดงเป็น 4.8, 5.7 และ 6.6 ตามลำดับ ตัวเลขเหล่านี้บ่งชี้ว่าจักรวาลมีขนาดเล็กลงเท่าใดเมื่อเปรียบเทียบกับปัจจุบันและสอดคล้องกับ 1.26 พันล้านปี 1.01 พันล้านปีและ 840 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง มันเหมือนกับการทำโบราณคดีของเอกภพยุคแรกด้วยตัวกรองพิเศษที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นชั้นต่าง ๆ ของการขุด
เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ใหม่ที่น่าทึ่งทีมต้องพัฒนาตัวกรองที่ไวต่อแสงที่มีความยาวคลื่นเพียงประมาณ 973 นาโนเมตรซึ่งสอดคล้องกับการปล่อยรังสีของ Lyman alpha ที่ redshift 7.0 ความยาวคลื่นนี้อยู่ที่ขีด จำกัด ของ CCD ที่ทันสมัยซึ่งสูญเสียความไวที่ความยาวคลื่นนานกว่า 1,000 นาโนเมตร หนึ่งในตัวกรองชนิดนี้เรียกว่า NB973 ใช้เทคโนโลยีการเคลือบหลายชั้นและใช้เวลานานกว่าสองปีในการพัฒนา ตัวกรองไม่เพียง แต่ต้องผ่านแสงที่มีความยาวคลื่นเพียงประมาณ 973 นาโนเมตรเท่านั้น แต่ยังต้องครอบคลุมมุมมองทั้งหมดของการมุ่งเน้นเฉพาะของกล้องโทรทรรศน์ด้วยเช่นกัน ทีมทำงานร่วมกับ บริษัท Asahi Spectra Co.Ltd ในการออกแบบตัวกรองต้นแบบเพื่อใช้กับ Faint Object Camera ของ Subaru จากนั้นก็นำประสบการณ์นั้นมาใช้ในการสร้างตัวกรองสำหรับ Suprime-Cam
ข้อสังเกต
การสังเกตด้วยฟิลเตอร์ NB973 เกิดขึ้นในช่วงฤดูใบไม้ผลิของปี 2548 หลังจากใช้เวลาในการสัมผัสนานกว่า 15 ชั่วโมงข้อมูลที่ได้รับมีขนาด จำกัด ถึง 24.9 ในภาพนี้มีวัตถุ 41,533 ชิ้น แต่การเปรียบเทียบกับภาพที่ถ่ายที่ความยาวคลื่นอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่ามีเพียงสองวัตถุที่สว่างในภาพ NB973 เท่านั้น ทีมสรุปว่ามีเพียงสองวัตถุเท่านั้นที่สามารถเป็นกาแลคซีได้ที่ redshift 7.0 ขั้นต่อไปคือการยืนยันตัวตนของวัตถุทั้งสองคือ IOK-1 และ IOK-2 และทีมสำรวจด้วยกล้อง Faint Object Camera และ Spectrograph (FOCAS) บนกล้องโทรทรรศน์ Subaru หลังจากเวลาเปิดรับ 8.5 ชั่วโมงทีมสามารถรับสเปกตรัมของสายการปล่อยจากความสว่างของวัตถุทั้งสอง IOK-1 สเปกตรัมของมันแสดงให้เห็นถึงโปรไฟล์อสมมาตรซึ่งเป็นลักษณะของการปล่อยลายแมน - อัลฟาจากกาแลคซีที่ห่างไกล สายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอยู่ที่ความยาวคลื่น 968.2 นาโนเมตร (redshift 6.964) สอดคล้องกับระยะทาง 12.88 พันล้านปีแสงและเวลา 780 ล้านปีหลังจากบิกแบง
ตัวตนของกาแล็กซี่ผู้สมัครคนที่สอง
เวลาสังเกตสามชั่วโมงไม่ได้ผลสรุปใด ๆ เพื่อกำหนดลักษณะของ IOK-2 ทีมวิจัยได้รับข้อมูลเพิ่มเติมตั้งแต่ตอนนี้ซึ่งกำลังวิเคราะห์อยู่ อาจเป็นไปได้ว่า IOK-2 อาจเป็นกาแลคซีไกลโพ้นอื่นหรืออาจเป็นวัตถุที่มีความสว่างแปรผัน ยกตัวอย่างเช่นกาแลคซีที่มีซูเปอร์โนวาหรือหลุมดำกลืนวัสดุที่เพิ่งปรากฏขึ้นอย่างสดใสในระหว่างการสำรวจด้วยฟิลเตอร์ NB973 (การสังเกตในฟิลเตอร์อื่นทำก่อนหน้านี้หนึ่งถึงสองปี)
เขตข้อมูล Subaru ลึก
กล้องโทรทรรศน์ Subaru เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลที่สุด ในบรรดากล้องโทรทรรศน์ 8-10 เมตรในโลกนั้นเป็นกล้องเดียวที่มีความสามารถในการติดตั้งกล้องที่เน้นเฉพาะจุด การมุ่งเน้นเฉพาะที่ด้านบนของหลอดกล้องโทรทรรศน์นั้นมีข้อดีของมุมมองที่กว้าง เป็นผลให้ปัจจุบัน Subaru ครองรายชื่อกาแลคซีที่รู้จักมากที่สุด หลายแห่งอยู่ในพื้นที่ของท้องฟ้าในทิศทางของกลุ่มดาว Coma Berenices ที่เรียกว่า Subaru Deep Field ซึ่งทีมวิจัยได้เลือกที่จะศึกษาอย่างเข้มข้นในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ
ประวัติศาสตร์ยุคแรกของจักรวาลและการก่อตัวของกาแลคซีแห่งแรก
เพื่อนำความสำเร็จของซูบารุนี้ไปสู่บริบทสิ่งสำคัญคือการทบทวนสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับประวัติของเอกภพยุคแรก เอกภพเริ่มต้นด้วยบิ๊กแบงซึ่งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 13.66 พันล้านปีก่อนในความโกลาหลที่ร้อนแรงของอุณหภูมิและความดันสูงมาก ภายในสามนาทีแรกเอกภพทารกจะขยายตัวและทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วทำให้เกิดนิวเคลียสขององค์ประกอบแสงเช่นไฮโดรเจนและฮีเลียม แต่นิวเคลียสของธาตุที่หนักกว่านั้นมีน้อยมาก ใน 380,000 ปีสิ่งต่าง ๆ เย็นลงถึงอุณหภูมิประมาณ 3,000 องศา เมื่อถึงจุดนั้นอิเล็กตรอนและโปรตอนสามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างไฮโดรเจนที่เป็นกลาง
เมื่ออิเล็กตรอนถูกพันธะกับนิวเคลียสของอะตอมแสงสามารถเดินทางผ่านอวกาศได้โดยที่อิเล็กตรอนไม่กระจัดกระจาย เราสามารถตรวจจับแสงที่ส่องเข้ามาในจักรวาลแล้ว อย่างไรก็ตามเนื่องจากเวลาและระยะทางมันถูกยืดออกไปด้วย 1,000 ตัวทำให้เอกภพเต็มไปด้วยรังสีที่เราตรวจจับเป็นไมโครเวฟ (เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล) ยานอวกาศ Wilisson ไมโครเวฟ Anisotropy Probe (WMAP) ได้ศึกษาการแผ่รังสีนี้และข้อมูลของมันทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณอายุของจักรวาลได้ประมาณ 13.66 พันล้านปี นอกจากนี้ข้อมูลเหล่านี้บ่งบอกถึงการมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืดที่ลึกลับยิ่งขึ้น
นักดาราศาสตร์คิดว่าในอีกไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังจากบิกแบงเอกภพยังคงเย็นตัวลงและดาวและกาแล็กซี่รุ่นแรกได้ก่อตัวขึ้นในพื้นที่ที่หนาแน่นที่สุดของสสารและสสารมืด ช่วงเวลานี้เรียกว่า "ยุคมืด" ของจักรวาล ยังไม่มีการสังเกตเหตุการณ์เหล่านี้โดยตรงดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อคาดคะเนทางทฤษฎีและหลักฐานเชิงสังเกตการณ์ที่มีอยู่เพื่อทำความเข้าใจการก่อตัวของดาวดวงแรกและกาแลกซี่
เมื่อดาวฤกษ์สว่างเกิดขึ้นรังสีอุลตร้าไวโอเล็ตของพวกเขาสามารถทำให้เกิดไอออนไฮโดรเจนในบริเวณใกล้เคียงโดยแยกพวกมันออกเป็นอิเล็กตรอนและโปรตอน ในบางจุดมีดวงดาวที่สว่างพอที่จะทำให้เกิดไอออนไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดในเอกภพ กระบวนการนี้เรียกว่าการแปรสภาพของจักรวาล กาลเวลาของการ reionization ส่งสัญญาณการสิ้นสุดของยุคมืดของจักรวาล ทุกวันนี้ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ในอวกาศระหว่างกาแลคซีถูกทำให้เป็นไอออน
ระบุยุคของการทำให้เป็นไอออน
นักดาราศาสตร์คาดการณ์ว่าการรีออไนซ์เกิดขึ้นระหว่าง 290 ถึง 910 ล้านปีหลังจากการกำเนิดของเอกภพ การระบุจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของยุคของการทำให้เป็นไอออนเป็นหนึ่งในหินที่สำคัญในการทำความเข้าใจว่าจักรวาลวิวัฒนาการอย่างไรและเป็นพื้นที่ของการศึกษาที่เข้มข้นในจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ดาราศาสตร์
ดูเหมือนว่าเมื่อเราดูย้อนหลังไปนานกาแลคซีก็จะหายากและหายากขึ้น จำนวนกาแลคซีที่มี redshift 7.0 (ซึ่งตรงกับเวลาประมาณ 780 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง) ดูเหมือนว่าจะเล็กกว่าที่นักดาราศาสตร์มองเห็นที่ redshift ที่ 6.6 (ซึ่งสอดคล้องกับเวลาประมาณ 840 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง) . เนื่องจากจำนวนกาแลคซีที่รู้จักที่ redshift ที่ 7.0 ยังคงมีขนาดเล็ก (เพียงหนึ่งเท่านั้น) จึงเป็นการยากที่จะทำการเปรียบเทียบทางสถิติที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามเป็นไปได้ว่าการลดลงของจำนวนกาแลคซีที่ redshift ที่สูงขึ้นนั้นเกิดจากการที่มีไฮโดรเจนเป็นกลางดูดซับการปล่อยของ Lyman-alpha จากกาแลคซีที่ redshift ที่สูงขึ้น หากการวิจัยเพิ่มเติมสามารถยืนยันได้ว่าความหนาแน่นของกาแลคซีใกล้เคียงกันนั้นลดลงระหว่าง redshift ที่ 6.6 และ 7.0 ก็อาจหมายความว่า IOK-1 นั้นมีอยู่ในช่วงยุคของการรีออไนซ์ของจักรวาล
ผลลัพธ์เหล่านี้จะได้รับการเผยแพร่ในฉบับวันที่ 14 กันยายน 2549 ซึ่งเป็นฉบับเผยแพร่ของธรรมชาติ
ที่มาต้นฉบับ: ข่าว Subaru
