เครดิตรูปภาพ: ESO
ทีมนักดาราศาสตร์ที่อยู่ในฮาวายได้ค้นพบกาแลคซีห่างไกล 12.8 พันล้านปีแสงซึ่งแสดงให้เราเห็นว่าจักรวาลดูเหมือนเป็นอย่างไรเมื่อมันมีอายุเพียง 900 ล้านปี พวกเขาพบกาแลคซีโดยใช้กล้องพิเศษที่ติดตั้งบนกล้องโทรทรรศน์แคนาดา - ฝรั่งเศส - ฮาวายซึ่งค้นหาวัตถุระยะไกลด้วยความถี่แสงที่เฉพาะเจาะจงมาก ด้วยการเปิดเผยกาแลคซีนี้ซึ่งตั้งอยู่ในกลุ่มดาว Cetus ใกล้กับดาว Mira ทีมได้พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการค้นพบวัตถุที่อยู่ไกลออกไปซึ่งจะช่วยให้ผู้สังเกตการณ์ในอนาคตมองไกลยิ่งขึ้นในอดีต
ด้วยกล้องโทรทรรศน์และเครื่องมือที่ได้รับการปรับปรุงการสำรวจกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลและสลัวมากได้กลายเป็นความเป็นไปได้จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ความฝันของนักดาราศาสตร์
หนึ่งในวัตถุนั้นถูกค้นพบโดยทีมนักดาราศาสตร์ [2] โดยมีกล้องสนามกว้างติดตั้งที่กล้องโทรทรรศน์แคนาดา - ฝรั่งเศส - ฮาวายที่ Mauna Kea (ฮาวายสหรัฐอเมริกา) ในระหว่างการค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลมาก ระบุว่า“ z6VDF J022803-041618” ถูกตรวจจับเนื่องจากสีผิดปกติสามารถมองเห็นได้เฉพาะภาพที่ได้จากตัวกรองแสงชนิดพิเศษที่แยกแสงในวงแคบใกล้อินฟราเรด
การติดตามสเปกตรัมของวัตถุนี้ด้วยเครื่องมือหลายโหมด FORS2 ที่ ESO Very Large Telescope (VLT) ยืนยันว่ามันเป็นกาแลคซีที่ห่างไกลมาก (redshift คือ 6.17 [3]) มันถูกมองว่ามันเป็นเมื่อจักรวาลมีอายุเพียงประมาณ 900 ล้านปี
z6VDF J022803-041618 เป็นหนึ่งในกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดซึ่งได้รับสเปกตรัมมาแล้ว ที่น่าสนใจมันถูกค้นพบเนื่องจากแสงที่ปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ของมันและไม่เป็นไปตามที่คาดไว้เดิมจากการปล่อยก๊าซไฮโดรเจน
ประวัติโดยย่อของเอกภพยุคแรก
นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยอมรับว่าจักรวาลแพร่กระจายจากสถานะเริ่มต้นที่ร้อนแรงและหนาแน่นมากในบิ๊กแบง การสำรวจล่าสุดบ่งชี้ว่าเหตุการณ์สำคัญนี้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 13,700 ล้านปีก่อน
ในช่วงสองสามนาทีแรกมีการสร้างไฮโดรเจนและฮีเลียมนิวเคลียสจำนวนมหาศาลด้วยโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากและในช่วงต่อไปนี้โฟตอนจำนวนมากกระจัดกระจายจากนิวเคลียสเหล่านี้และนิวเคลียสอะตอม ในขั้นตอนนี้จักรวาลนั้นทึบอย่างสมบูรณ์
หลังจาก 100,000 ปีจักรวาลได้เย็นลงถึงไม่กี่พันองศาและตอนนี้นิวเคลียสและอิเล็กตรอนรวมกันเป็นอะตอม จากนั้นโฟตอนจะไม่กระจัดกระจายจากสิ่งเหล่านี้อีกต่อไปและจักรวาลก็กลายเป็นโปร่งใส นักจักรวาลวิทยาอ้างถึงช่วงเวลานี้ว่าเป็น "ยุคแห่งการรวมตัวกันอีกครั้ง" การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังตอนนี้เราสังเกตจากทุกทิศทุกทางแสดงให้เห็นถึงสถานะของความเป็นเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ในจักรวาลในยุคที่ห่างไกล
ในระยะต่อไปอะตอมในยุคแรกซึ่งมีไฮโดรเจนและฮีเลียมมากกว่า 99% เคลื่อนที่เข้าด้วยกันและเริ่มก่อตัวเป็นเมฆขนาดใหญ่ซึ่งดาวฤกษ์และกาแลคซีเกิดขึ้นในเวลาต่อมา ดาวฤกษ์รุ่นแรกและค่อนข้างภายหลังกาแลคซีและควอซาร์แห่งแรก [4] ก็ผลิตรังสีอุลตร้าไวโอเลตที่เข้มข้น อย่างไรก็ตามการแผ่รังสีนั้นไม่ได้เดินทางไกลมากนักอย่างไรก็ตามข้อเท็จจริงที่ว่าจักรวาลมีความโปร่งใสเมื่อนานมาแล้ว นี่เป็นเพราะโฟตอนอัลตราไวโอเลต (ความยาวคลื่นสั้น) จะถูกดูดกลืนโดยอะตอมไฮโดรเจนทันที“ เคาะ” อิเล็กตรอนจากอะตอมเหล่านั้นในขณะที่โฟตอนความยาวคลื่นที่ยาวกว่าอาจเดินทางไกลกว่ามาก แก๊สอวกาศจึงกลายเป็นไอออนในทรงกลมที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ รอบ ๆ แหล่งกำเนิดไอออไนซ์
ในไม่ช้าทรงกลมเหล่านี้ใหญ่จนทับซ้อนกันหมด สิ่งนี้เรียกว่า "ยุคของการเกิดไอออนไนซ์อีกครั้ง" จนกระทั่งบัดนี้รังสีอุลตร้าไวโอเล็ตถูกดูดซับโดยอะตอม แต่ตอนนี้จักรวาลก็กลายเป็นโปร่งใสต่อการแผ่รังสีนี้ ก่อนหน้านี้แสงอัลตราไวโอเลตจากดาวและกาแล็กซี่แรกนั้นไม่สามารถมองเห็นได้ในระยะทางไกล แต่ตอนนี้จักรวาลดูเหมือนจะเต็มไปด้วยวัตถุสว่าง ด้วยเหตุผลนี้เองที่ช่วงเวลาระหว่างยุคของการรวมตัวกันอีกครั้งและ "การรวมตัวกันใหม่" เรียกว่า "ยุคมืด"
เมื่อใดที่จุดจบของ“ ยุคมืด”?
ช่วงเวลาที่แน่นอนของการเกิดไอออนไนซ์ใหม่เป็นเรื่องของการถกเถียงกันอย่างจริงจังในหมู่นักดาราศาสตร์ แต่ผลล่าสุดจากการสำรวจภาคพื้นดินและอวกาศบ่งชี้ว่า "ยุคมืด" กินเวลาไม่กี่ร้อยล้านปี ขณะนี้มีโครงการวิจัยต่าง ๆ ซึ่งพยายามกำหนดให้ดีขึ้นเมื่อเกิดเหตุการณ์ช่วงต้น สำหรับสิ่งนี้มันเป็นสิ่งจำเป็นในการค้นหาและศึกษาในรายละเอียดที่เก่าแก่ที่สุดและด้วยเหตุนี้วัตถุในจักรวาลที่ห่างไกลที่สุด - และนี่คือความพยายามเชิงสังเกตการณ์ที่เรียกร้องมาก
แสงจะหรี่ลงตามจตุรัสของระยะทางและยิ่งเรามองออกไปในอวกาศมากขึ้นเพื่อสังเกตวัตถุ - และดังนั้นเมื่อเราเห็นย้อนเวลากลับไปในเวลาต่อไป - ยิ่งจางลงก็ปรากฏขึ้น ในเวลาเดียวกันแสงสลัวของมันจะถูกเลื่อนไปทางบริเวณสีแดงของสเปกตรัมเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ - ยิ่งระยะทางไกลขึ้น
บรรทัดการปล่อย Lyman-alpha
ด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินข้อ จำกัด การตรวจจับที่แคบที่สุดทำได้โดยการสังเกตในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม การตรวจจับวัตถุที่อยู่ไกลมากจึงต้องมีการตรวจสอบลายเซ็นของรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นสีแดงในบริเวณที่มองเห็นได้ โดยปกติแล้วนักดาราศาสตร์ใช้สำหรับสายการปล่อยสเปกตรัมสเปกตรัม Lyman-alpha สเปกตรัมสีแดงที่มีความยาวคลื่น 121.6 nm; มันสอดคล้องกับโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากอะตอมไฮโดรเจนเมื่อพวกมันเปลี่ยนจากสถานะที่ตื่นเต้นไปเป็นสถานะพื้นฐาน
วิธีหนึ่งที่ชัดเจนในการค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดคือการค้นหาการเปล่งแสงของ Lyman-alpha ที่ความยาวคลื่นที่เป็นไปได้ของ reddest (ยาวที่สุด) ยิ่งความยาวคลื่นของเส้นลายแมน - อัลฟาที่สังเกตเห็นมีขนาดใหญ่ขึ้นก็คือเรดชิฟต์และระยะทางและก่อนหน้านี้คือยุคที่เราเห็นกาแลคซีและยิ่งเข้าใกล้ช่วงเวลาที่จุดสิ้นสุดของยุคมืด ”
เครื่องตรวจจับ CCD ที่ใช้ในเครื่องมือทางดาราศาสตร์ (เช่นเดียวกับกล้องดิจิตอลเชิงพาณิชย์) มีความไวต่อแสงของความยาวคลื่นสูงถึงประมาณ 1,000 นาโนเมตร (1? m) คือในพื้นที่สเปกตรัมใกล้อินฟราเรดไกลเกินแสงสีแดงที่สามารถ ถูกรับรู้โดยสายตามนุษย์ที่ประมาณ 700-750 นาโนเมตร
ท้องฟ้ายามค่ำคืนที่สว่างใกล้อินฟราเรด
อย่างไรก็ตามมีปัญหาอื่นสำหรับงานประเภทนี้ การค้นหา Lyman-alpha ที่ปล่อยออกมาจากกาแลคซีไกลโพ้นนั้นมีความซับซ้อนเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าบรรยากาศบนพื้นโลก - ซึ่งกล้องโทรทรรศน์บนพื้นโลกทั้งหมดต้องมอง - และปล่อยแสงเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนสีแดงและใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัมที่มีหลายร้อยสายการปล่อยไม่ต่อเนื่องเกิดจากโมเลกุลไฮดรอกซิล (อนุมูลอิสระ OH) ที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศชั้นบนที่ระดับความสูงประมาณ 80 กิโลเมตร (ดู PR Photo 13a / 03)
การปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่รุนแรงนี้ซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า "พื้นหลังท้องฟ้า" มีหน้าที่ จำกัด ขอบเขตของแสงที่วัตถุท้องฟ้าสามารถตรวจจับได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ อย่างไรก็ตามมีช่วงเวลาที่โชคดีของ“ พื้นหลัง OH ต่ำ” ที่สายการปล่อยมลพิษเหล่านี้มีความจางมากดังนั้นจึงช่วย จำกัด การตรวจจับที่จางลงจากการสำรวจภาคพื้นดิน หน้าต่าง“ ท้องฟ้าสีคราม” สองแห่งปรากฏอยู่ในภาพ PR 13a / 03 ใกล้กับความยาวคลื่น 820 และ 920 นาโนเมตร
เมื่อพิจารณาถึงแง่มุมเหล่านี้วิธีที่มีแนวโน้มในการค้นหากาแลคซีที่อยู่ไกลที่สุดได้อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นจึงควรสังเกตที่ความยาวคลื่นใกล้ 920 นาโนเมตรโดยใช้ตัวกรองแสงแบบวงแคบ การปรับความกว้างสเปกตรัมของตัวกรองนี้เป็นประมาณ 10 นาโนเมตรช่วยให้สามารถตรวจจับแสงจากวัตถุท้องฟ้ามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เมื่อปล่อยออกมาในแนวสเปกตรัมที่จับคู่กับตัวกรองในขณะที่ลดผลกระทบจากการปล่อยท้องฟ้า
กล่าวอีกนัยหนึ่งด้วยแสงสูงสุดที่รวบรวมได้จากวัตถุที่อยู่ห่างไกลและการรบกวนแสงน้อยที่สุดจากชั้นบรรยากาศโลกโอกาสในการตรวจจับวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดจะเหมาะสมที่สุด นักดาราศาสตร์พูดถึง "การเพิ่มความเปรียบต่าง" ของวัตถุที่แสดงเส้นเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นนี้
โปรแกรมค้นหา CFHT
จากการพิจารณาข้างต้นทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติ [2] ติดตั้งฟิลเตอร์กรองแสงแบบแถบแคบที่มีศูนย์กลางที่ความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรด 920 นาโนเมตรบนเครื่องมือ CFH12K ที่กล้องโทรทรรศน์แคนาดา - ฝรั่งเศส - ฮาวายบนเมานเคอา (ฮาวายสหรัฐอเมริกา) เพื่อค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลมาก CFH12K เป็นกล้องมุมกว้างที่ใช้ในการโฟกัสที่สำคัญของ CFHT ซึ่งให้มุมมองภาพโดยประมาณ 30 x 40 arcmin2 ค่อนข้างใหญ่กว่าพระจันทร์เต็มดวง [5]
นักดาราศาสตร์สามารถระบุวัตถุที่ปรากฏค่อนข้าง "สว่าง" ในภาพ NB920 และ "จาง ๆ " (หรือแม้แต่มองไม่เห็น) ในภาพที่สอดคล้องกันที่ได้รับผ่านตัวกรองอื่น ๆ . ตัวอย่างที่โดดเด่นแสดงใน PR Photo 13b / 03 - วัตถุที่อยู่ตรงกลางสามารถมองเห็นได้ดีในภาพ 920nm แต่ไม่ปรากฏในภาพอื่น
คำอธิบายที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับวัตถุที่มีสีผิดปกติคือมันเป็นกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลมากซึ่งความยาวคลื่นที่สังเกตได้ของสายการเปล่งแสงของ Lyman-alpha ใกล้เคียงกับ 920 นาโนเมตรเนื่องจากการเปลี่ยนสีแดง แสงใด ๆ ที่ปล่อยออกมาจากกาแลคซีที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า Lyman-alpha นั้นถูกดูดซับอย่างมากโดยการแทรกแซงระหว่างดวงดาวและก๊าซไฮโดรเจนในอวกาศ นี่คือเหตุผลที่วัตถุไม่สามารถมองเห็นได้ในตัวกรองอื่น ๆ ทั้งหมด
VLT สเปกตรัม
เพื่อเรียนรู้ธรรมชาติที่แท้จริงของวัตถุนี้มีความจำเป็นที่จะต้องทำการติดตามด้วยสเปกโทรสโกปีโดยการสังเกตสเปกตรัมของมัน สิ่งนี้สำเร็จด้วยเครื่องมือหลายโหมด FORS 2 ที่กล้องโทรทรรศน์ VLT YEPUN ขนาด 8.2 ม. ที่หอดูดาว ESO Paranal สิ่งอำนวยความสะดวกนี้ให้การผสมผสานที่สมบูรณ์แบบของความละเอียดสเปกตรัมปานกลางและความไวแสงสูงในสีแดงสำหรับการสังเกตที่มีความต้องการอย่างมาก สเปกตรัมที่เกิด (จาง) จะแสดงใน PR Photo 13c / 03
PR Photo 13d / 03 แสดงการติดตามของสเปกตรัมสุดท้าย ("ล้าง") ของวัตถุหลังจากการแยกจากรูปภาพที่แสดงใน PR Photo 13c / 03 ตรวจพบเส้นเปล่งกว้างหนึ่งเส้น (ด้านซ้ายของกึ่งกลาง; ขยายในส่วนแทรก) มันไม่สมมาตรถูกกดทับทางด้านซ้าย (สีน้ำเงิน) เมื่อรวมกับความจริงที่ว่าไม่มีการตรวจจับแสงต่อเนื่องทางด้านซ้ายของเส้นเป็นลายเซ็นที่ชัดเจนของเส้นลายแมน - อัลฟ่า: โฟตอน“ bluer” กว่า Lyman-alpha ถูกดูดกลืนโดยก๊าซที่มีอยู่ในกาแลคซี และในสื่ออวกาศด้วยแนวสายตาระหว่างโลกกับวัตถุ
การสำรวจด้วยสเปคโทรสจึงอนุญาตให้นักดาราศาสตร์สามารถระบุบรรทัดนี้ได้อย่างชัดเจนว่าเป็นลายแมน - อัลฟาและเพื่อยืนยันระยะทางที่ยอดเยี่ยม (redshift สูง) ของวัตถุนี้โดยเฉพาะ Redshift ที่วัดได้คือ 6.17 ทำให้วัตถุนี้เป็นหนึ่งในกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดที่ตรวจพบ มันได้รับชื่อ "z6VDF J022803-041618" - ส่วนแรกของชื่อที่ค่อนข้างไม่สะดวกนี้อ้างถึงการสำรวจและส่วนที่สองระบุตำแหน่งของกาแลคซีนี้บนท้องฟ้า
แสงดาวในจักรวาลตอนต้น
อย่างไรก็ตามการสังเกตเหล่านี้ไม่ได้มาโดยไม่แปลกใจ! นักดาราศาสตร์หวังว่า (และคาดว่า) จะตรวจจับเส้นลายแมน - อัลฟาจากวัตถุที่อยู่ตรงกลางของหน้าต่างสเปกตรัม 920 นาโนเมตร อย่างไรก็ตามในขณะที่พบลายเส้นลายแมน - อัลฟ่ามันก็อยู่ในตำแหน่งที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างสั้น
ด้วยเหตุนี้จึงไม่ใช่การปล่อย Lyman-alpha ที่ทำให้กาแลคซีนี้เป็น“ สว่าง” ในภาพแคบ (NB920) แต่เป็นการปล่อย“ ต่อเนื่อง” ที่ความยาวคลื่นนานกว่า Lyman-alpha รังสีนี้สามารถมองเห็นได้อย่างแผ่วเบาว่าเป็นเส้นแนวนอนและกระจายใน PR Photo 13c / 03
สิ่งหนึ่งที่สำคัญคือ redshift ที่วัดได้ที่ 6.17 นั้นต่ำกว่า redshift ที่คาดการณ์ไว้เดิมที่ประมาณ 6.5 อีกอย่างหนึ่งคือ z6VDF J022803-041618 ถูกตรวจจับด้วยแสงจากดาวมวลสูง ("ต่อเนื่อง") และไม่ปล่อยจากก๊าซไฮโดรเจน (เส้นลายแมน - อัลฟา)
ข้อสรุปที่น่าสนใจนี้น่าสนใจเป็นพิเศษเพราะมันแสดงให้เห็นว่าโดยหลักการแล้วมันเป็นไปได้ที่จะตรวจจับกาแลคซีในระยะทางอันกว้างใหญ่นี้โดยไม่ต้องพึ่งพาสายการปล่อยก๊าซของ Lyman-alpha ซึ่งอาจไม่ปรากฏอยู่ในสเปกตรัมของกาแลคซีไกลโพ้น สิ่งนี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นภาพที่สมบูรณ์ของประชากรกาแลคซีในจักรวาลยุคแรก ๆ
ยิ่งไปกว่านั้นการสำรวจกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้มากขึ้นเรื่อย ๆ จะช่วยให้เข้าใจสถานะการเป็นไอออไนซ์ของจักรวาลในยุคนี้ได้ดีขึ้น: แสงอัลตราไวโอเลตที่ปล่อยออกมาจากกาแลคซีเหล่านี้ไม่ควรติดต่อเราในจักรวาลที่เป็นกลาง . การตามล่ากาแลคซีเช่นนี้เพิ่มขึ้นเพื่อชี้แจงว่าการเปลี่ยนแปลงจากยุคมืดเกิดขึ้นได้อย่างไร!
แหล่งต้นฉบับ: ข่าว ESO
