Kính viễn vọng Subaru mạnh mẽ ở Hawai Khăni đã tìm thấy thiên hà xa xôi nhất từng thấy, nằm cách xa 12,88 tỷ năm ánh sáng - đây chỉ là 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Quan sát các vật thể ở xa này là vô cùng khó khăn, không chỉ vì khoảng cách lớn liên quan, mà bởi vì phần lớn Vũ trụ bị che khuất đằng sau hydro trung tính. Các ngôi sao chỉ sau đó bắt đầu loại bỏ hydro trung tính này, làm cho Vũ trụ trong suốt.
Các nhà thiên văn học sử dụng kính viễn vọng Subaru ở Hawai Khăni đã quay ngược thời gian 60 triệu năm so với bất kỳ nhà thiên văn học nào khác, để tìm ra thiên hà xa xôi nhất được biết đến trong vũ trụ. Khi làm như vậy, họ đang duy trì kỷ lục Subaru Lần tìm kiếm các thiên hà xa nhất và sớm nhất được biết đến. Phát hiện gần đây nhất của họ là về một thiên hà có tên I0K-1 nằm cách xa đến nỗi các nhà thiên văn học đang nhìn thấy nó khi nó xuất hiện 12,88 tỷ năm trước.
Phát hiện này, dựa trên những quan sát của Masanori Iye thuộc Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản (NAOJ), Kazuaki Ota thuộc Đại học Tokyo, Nobunari Kashikawa của NAOJ và những người khác chỉ ra rằng các thiên hà chỉ tồn tại 780 triệu năm sau khi vũ trụ tồn tại. khoảng 13,66 tỷ năm trước như một món súp nóng của các hạt cơ bản.
Để phát hiện ánh sáng từ thiên hà này, các nhà thiên văn học đã sử dụng máy ảnh kính viễn vọng Subaruime-Cam của Subaru được trang bị bộ lọc đặc biệt để tìm kiếm các thiên hà ở xa. Họ đã tìm thấy 41.533 vật thể và từ những vật thể đã xác định được hai thiên hà ứng cử viên để nghiên cứu thêm bằng cách sử dụng Máy ảnh và Máy quang phổ đối tượng mờ (FOCAS) trên Subaru. Họ phát hiện ra rằng IOK-1, sáng hơn của cả hai, có độ dịch chuyển là 6,964, xác nhận khoảng cách 12,88 tỷ năm ánh sáng của nó.
Phát hiện này thách thức các nhà thiên văn học xác định chính xác những gì đã xảy ra trong khoảng thời gian từ 780 đến 840 triệu năm sau Vụ nổ lớn. IOK-1 là một trong hai thiên hà duy nhất trong nghiên cứu mới có thể thuộc về thời đại xa xôi này. Dựa vào số lượng thiên hà đã được phát hiện từ 840 triệu năm sau Vụ nổ lớn, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tìm thấy có tới sáu thiên hà ở khoảng cách này. Sự hiếm có so sánh của các vật thể như IOK-1 có nghĩa là vũ trụ phải thay đổi trong 60 triệu năm tách biệt hai kỷ nguyên.
Giải thích thú vị nhất về những gì đã xảy ra là chúng ta đang chứng kiến một sự kiện được các nhà thiên văn học gọi là sự tái hợp của vũ trụ. Trong trường hợp này, 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ vẫn có đủ hydro trung tính để chặn tầm nhìn của chúng ta về các thiên hà trẻ bằng cách hấp thụ ánh sáng do các ngôi sao trẻ nóng bỏng của chúng tạo ra. Sáu mươi triệu năm sau, có đủ những ngôi sao trẻ nóng bỏng để ion hóa hydro trung tính còn lại, làm cho vũ trụ trong suốt và cho phép chúng ta nhìn thấy những ngôi sao của chúng.
Một cách giải thích khác về kết quả nói rằng có ít thiên hà trẻ hơn và sáng hơn 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn hơn 60 triệu năm sau. Trong trường hợp này, hầu hết các cuộc cải tổ sẽ diễn ra sớm hơn 12,88 tỷ năm trước.
Bất kể sự giải thích nào cuối cùng cũng thắng thế, phát hiện này báo hiệu rằng các nhà thiên văn học hiện đang khai quật ánh sáng từ thời hoàng kim Dark Dark của vũ trụ. Đây là kỷ nguyên khi các thế hệ sao và thiên hà đầu tiên ra đời và là kỷ nguyên mà các nhà thiên văn học không thể quan sát được cho đến bây giờ.
THÔNG TIN LAI LỊCH:
Khảo cổ học của vũ trụ sơ khai sử dụng các bộ lọc đặc biệt
Các thiên hà sơ sinh chứa các ngôi sao với một khối lượng lớn. Những ngôi sao nặng hơn có nhiệt độ cao hơn và phát ra bức xạ cực tím làm nóng và ion hóa khí gần đó. Khi khí nguội đi, nó tỏa ra năng lượng dư thừa để có thể trở lại trạng thái trung tính. Trong quá trình này, hydro sẽ luôn phát ra ánh sáng ở 121,6 nanomet, được gọi là dòng Lyman-alpha. Bất kỳ thiên hà nào có nhiều ngôi sao nóng nên tỏa sáng rực rỡ ở bước sóng này. Nếu các ngôi sao hình thành tất cả cùng một lúc, những ngôi sao sáng nhất có thể tạo ra phát xạ Lyman-alpha trong 10 đến 100 triệu năm.
Để nghiên cứu các thiên hà như IOK-1 tồn tại ở thời kỳ đầu trong vũ trụ, các nhà thiên văn học phải tìm kiếm ánh sáng Lyman-alpha bị kéo dài và chuyển sang các bước sóng dài hơn khi vũ trụ giãn nở. Tuy nhiên, ở bước sóng dài hơn 700 nanomet, các nhà thiên văn học phải đối phó với sự phát xạ tiền cảnh từ các phân tử OH trong bầu khí quyển của Trái đất cản trở sự phát xạ mờ nhạt từ các vật thể ở xa.
Để phát hiện ánh sáng mờ từ các thiên hà xa xôi, nhóm nghiên cứu đã quan sát ở các bước sóng trong đó bầu khí quyển Trái đất không phát sáng nhiều, qua các cửa sổ ở 711, 816 và 921 nanomet. Các cửa sổ này tương ứng với phát xạ Lyman-alpha được dịch chuyển đỏ từ các thiên hà với các dịch chuyển đỏ lần lượt là 4,8, 5,7 và 6,6. Những con số này cho thấy vũ trụ nhỏ hơn bao nhiêu so với bây giờ, và tương ứng với 1,26 tỷ năm, 1,01 tỷ năm và 840 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Điều này giống như làm khảo cổ học của vũ trụ sơ khai với các bộ lọc đặc biệt cho phép các nhà khoa học nhìn vào các lớp khác nhau của một cuộc khai quật.
Để có được kết quả mới ngoạn mục của họ, nhóm nghiên cứu đã phải phát triển một bộ lọc nhạy cảm với ánh sáng với bước sóng chỉ khoảng 973 nanomet, tương ứng với phát xạ Lyman alpha ở độ lệch đỏ 7.0. Bước sóng này nằm ở giới hạn của các bộ cảm biến hiện đại, làm mất độ nhạy ở bước sóng dài hơn 1000 nanomet. Đây là một trong những bộ lọc loại này, được gọi là NB973, sử dụng công nghệ phủ nhiều lớp và mất hơn hai năm để phát triển. Bộ lọc không chỉ phải truyền ánh sáng với bước sóng chỉ khoảng 973 nanomet, mà còn phải bao phủ toàn bộ toàn bộ trường nhìn của tiêu cự chính của kính viễn vọng. Nhóm đã làm việc với một công ty, Asahi Spectra Ltd, để thiết kế bộ lọc nguyên mẫu để sử dụng với Máy ảnh đối tượng mờ Subaru, sau đó áp dụng kinh nghiệm đó vào việc tạo bộ lọc cho Suprime-Cam.
Các quan sát
Các quan sát với bộ lọc NB973 diễn ra trong mùa xuân năm 2005. Sau hơn 15 giờ phơi sáng, dữ liệu thu được đạt đến cường độ giới hạn 24,9. Có 41.533 đối tượng trong hình ảnh này, nhưng so sánh với hình ảnh được chụp ở các bước sóng khác cho thấy chỉ có hai trong số các đối tượng chỉ sáng trong hình ảnh NB973. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng chỉ có hai vật thể đó có thể là các thiên hà với độ dịch chuyển là 7,0. Bước tiếp theo là xác nhận danh tính của hai vật thể, IOK-1 và IOK-2, và nhóm nghiên cứu đã quan sát chúng bằng Máy ảnh và Máy quang phổ đối tượng mờ (FOCAS) trên kính viễn vọng Subaru. Sau 8,5 giờ thời gian phơi sáng, nhóm nghiên cứu đã có thể thu được phổ của vạch phát xạ từ độ sáng của hai vật thể, IOK-1. Phổ của nó cho thấy cấu hình không đối xứng, đặc trưng của phát xạ Lyman-alpha từ một thiên hà xa xôi. Đường phát xạ tập trung ở bước sóng 968,2 nanomet (dịch chuyển đỏ 6,964), tương ứng với khoảng cách 12,88 tỷ năm ánh sáng và thời gian 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Bản sắc của thiên hà ứng cử viên thứ hai
Ba giờ thời gian quan sát không mang lại bất kỳ kết quả cuối cùng nào để xác định bản chất của IOK-2. Nhóm nghiên cứu đã thu được nhiều dữ liệu hơn hiện đang được phân tích. Có thể IOK-2 có thể là một thiên hà xa xôi khác, hoặc nó có thể là một vật thể có độ sáng thay đổi. Ví dụ, một thiên hà có siêu tân tinh hoặc lỗ đen chủ động nuốt vật liệu vừa xuất hiện sáng trong quá trình quan sát với bộ lọc NB973. (Các quan sát trong các bộ lọc khác đã được thực hiện trước đó một đến hai năm.)
Cánh đồng sâu Subaru
Kính thiên văn Subaru đặc biệt phù hợp để tìm kiếm các thiên hà xa xôi nhất. Trong số tất cả các kính viễn vọng loại 8 đến 10 mét trên thế giới, nó là chiếc duy nhất có khả năng lắp camera ở tiêu cự chính. Trọng tâm chính, ở đầu ống kính viễn vọng, có lợi thế của trường nhìn rộng. Do đó, Subaru hiện đang thống trị danh sách các thiên hà xa xôi nhất được biết đến. Nhiều trong số này nằm trong một vùng trời theo hướng của chòm sao Coma Berenices gọi là Trường sâu Subaru mà nhóm nghiên cứu đã chọn để nghiên cứu cường độ cao ở nhiều bước sóng.
Lịch sử ban đầu của vũ trụ và sự hình thành của các thiên hà đầu tiên
Để đưa thành tựu Subaru này vào bối cảnh, điều quan trọng là phải xem lại những gì chúng ta biết về lịch sử của vũ trụ sơ khai. Vũ trụ bắt đầu với Vụ nổ lớn, xảy ra khoảng 13,66 tỷ năm trước trong một hỗn loạn dữ dội của nhiệt độ và áp suất cực độ. Trong vòng ba phút đầu tiên, vũ trụ trẻ sơ sinh nhanh chóng giãn nở và làm lạnh, tạo ra hạt nhân của các nguyên tố nhẹ như hydro và heli nhưng rất ít hạt nhân của các nguyên tố nặng hơn. Trong 380.000 năm, mọi thứ đã nguội đến nhiệt độ khoảng 3.000 độ. Tại thời điểm đó, các electron và proton có thể kết hợp để tạo thành hydro trung tính.
Với các electron hiện đang liên kết với hạt nhân nguyên tử, ánh sáng có thể truyền qua không gian mà không bị phân tán bởi các electron. Chúng ta thực sự có thể phát hiện ánh sáng thấm vào vũ trụ hồi đó. Tuy nhiên, do thời gian và khoảng cách, nó đã bị kéo dài bởi hệ số 1.000, lấp đầy vũ trụ bằng bức xạ mà chúng ta phát hiện dưới dạng vi sóng (được gọi là Nền vi sóng vũ trụ). Tàu vũ trụ thăm dò bất đẳng hướng lò vi sóng Wilkinson (WMAP) đã nghiên cứu bức xạ này và dữ liệu của nó cho phép các nhà thiên văn học tính toán tuổi của vũ trụ vào khoảng 13,66 tỷ năm. Ngoài ra, những dữ liệu này ngụ ý sự tồn tại của những thứ như vật chất tối và năng lượng tối thậm chí còn khó hiểu hơn.
Các nhà thiên văn học nghĩ rằng trong vài trăm triệu năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn, vũ trụ tiếp tục lạnh dần và thế hệ sao và thiên hà đầu tiên hình thành ở những vùng dày đặc nhất của vật chất và vật chất tối. Thời kỳ này được biết đến với tên gọi là Dark Dark Ages của vũ trụ. Vẫn chưa có quan sát trực tiếp về các sự kiện này, vì vậy các nhà thiên văn học đang sử dụng mô phỏng máy tính để liên kết các dự đoán lý thuyết và bằng chứng quan sát hiện có để hiểu sự hình thành của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên.
Khi các ngôi sao sáng được sinh ra, bức xạ cực tím của chúng có thể làm ion hóa các nguyên tử hydro gần đó bằng cách tách chúng trở lại thành các electron và proton riêng biệt. Tại một số điểm, có đủ các ngôi sao sáng để ion hóa gần như toàn bộ hydro trung tính trong vũ trụ. Quá trình này được gọi là sự tái sinh của vũ trụ. Kỷ nguyên tái sinh báo hiệu sự kết thúc của Thời đại đen tối của vũ trụ. Ngày nay, hầu hết hydro trong không gian giữa các thiên hà đều bị ion hóa.
Xác định thời đại của Reionization
Các nhà thiên văn học đã ước tính rằng sự tái sinh xảy ra vào khoảng thời gian từ 290 đến 910 triệu năm sau khi vũ trụ ra đời. Xác định điểm bắt đầu và kết thúc kỷ nguyên tái sinh là một trong những bước đệm quan trọng để hiểu vũ trụ phát triển như thế nào, và là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ về vũ trụ học và vật lý thiên văn.
Dường như khi chúng ta nhìn xa hơn về thời gian, các thiên hà ngày càng hiếm hơn. Số lượng các thiên hà có độ dịch chuyển đỏ là 7,0 (tương ứng với thời gian khoảng 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn) dường như nhỏ hơn so với những gì các nhà thiên văn nhìn thấy ở độ lệch 6,6 (tương ứng với thời gian khoảng 840 triệu năm sau Vụ nổ lớn) . Vì số lượng các thiên hà được biết đến ở mức dịch chuyển đỏ là 7.0 vẫn còn ít (chỉ có một!), Rất khó để so sánh thống kê mạnh mẽ. Tuy nhiên, có thể việc giảm số lượng thiên hà khi dịch chuyển đỏ cao hơn là do sự hiện diện của hydro trung tính hấp thụ phát xạ Lyman-alpha từ các thiên hà khi dịch chuyển đỏ cao hơn. Nếu nghiên cứu sâu hơn có thể xác nhận rằng mật độ số lượng của các thiên hà tương tự giảm giữa độ dịch chuyển 6,6 và 7,0, điều đó có nghĩa là IOK-1 tồn tại trong kỷ nguyên của sự tái tạo vũ trụ.
Những kết quả này sẽ được công bố vào ngày 14 tháng 9 năm 2006, ấn bản của Tự nhiên.
Nguồn gốc: Subaru News phát hành
