Tín dụng hình ảnh: ESO
Một nhóm các nhà thiên văn học có trụ sở tại Hawaii đã phát hiện ra một thiên hà xa xôi cách xa 12,8 tỷ năm ánh sáng cho chúng ta thấy Vũ trụ trông như thế nào khi chỉ mới 900 triệu năm tuổi. Họ đã tìm thấy thiên hà bằng cách sử dụng một camera đặc biệt được lắp đặt trên kính viễn vọng Canada-Pháp-Hawaii để tìm kiếm các vật thể ở xa trong một tần số ánh sáng rất cụ thể. Bằng cách khám phá thiên hà này, nằm trong chòm sao Cetus, ngay gần ngôi sao Mira, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để khám phá các vật thể ở xa giúp các nhà quan sát trong tương lai nhìn xa hơn về quá khứ.
Với các kính viễn vọng và dụng cụ cải tiến, việc quan sát các thiên hà cực kỳ xa xôi và mờ nhạt đã trở nên khả thi cho đến khi các nhà thiên văn học gần đây mơ ước.
Một vật thể như vậy đã được tìm thấy bởi một nhóm các nhà thiên văn học [2] với một camera trường rộng được lắp đặt tại kính viễn vọng Canada-Pháp-Hawaii tại Mauna Kea (Hawaii, Hoa Kỳ) trong quá trình tìm kiếm các thiên hà cực kỳ xa xôi. Được chỉ định là Z6VDF J022804-041618, nó được phát hiện do màu sắc khác thường, chỉ hiển thị trên hình ảnh thu được thông qua bộ lọc quang đặc biệt cách ly trong một dải hồng ngoại hẹp.
Phổ tiếp theo của vật thể này với thiết bị đa chế độ FORS2 tại Kính thiên văn rất lớn ESO (VLT) đã xác nhận rằng đó là một thiên hà rất xa (độ dịch chuyển đỏ là 6.17 [3]). Nó được nhìn thấy như khi vũ trụ chỉ khoảng 900 triệu năm tuổi.
z6VDF J022804-041618 là một trong những thiên hà xa nhất mà quang phổ đã thu được cho đến nay. Thật thú vị, nó đã được phát hiện vì ánh sáng phát ra từ các ngôi sao khổng lồ của nó và không, như dự kiến ban đầu, từ sự phát xạ của khí hydro.
Sơ lược về lịch sử của vũ trụ sơ khai
Hầu hết các nhà khoa học đều đồng ý rằng Vũ trụ phát ra từ trạng thái ban đầu nóng và cực kỳ dày đặc trong Vụ nổ lớn. Các quan sát mới nhất chỉ ra rằng sự kiện quan trọng này đã diễn ra khoảng 13.700 triệu năm trước.
Trong vài phút đầu tiên, một lượng lớn hạt nhân hydro và heli với các proton và neutron đã được tạo ra. Ngoài ra còn có rất nhiều electron tự do và trong kỷ nguyên sau, rất nhiều photon bị phân tán từ chúng và hạt nhân nguyên tử. Ở giai đoạn này, Vũ trụ hoàn toàn mờ đục.
Sau khoảng 100.000 năm, Vũ trụ đã hạ nhiệt xuống vài nghìn độ và các hạt nhân và electron hiện kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử. Các photon sau đó không còn bị phân tán khỏi chúng nữa và Vũ trụ đột nhiên trở nên trong suốt. Các nhà vũ trụ học gọi thời điểm này là kỷ nguyên tái tổ hợp. Bức xạ nền vi sóng bây giờ chúng ta quan sát từ mọi hướng mô tả trạng thái đồng nhất lớn trong Vũ trụ ở thời đại xa xôi đó.
Trong giai đoạn tiếp theo, các nguyên tử nguyên thủy - hơn 99% trong số đó là hydro và heli - di chuyển cùng nhau và bắt đầu hình thành những đám mây khổng lồ từ đó các ngôi sao và thiên hà sau đó xuất hiện. Thế hệ đầu tiên của các ngôi sao và, phần nào sau đó, các thiên hà và quasar đầu tiên [4] đã tạo ra bức xạ cực tím mạnh. Tuy nhiên, bức xạ đó không truyền đi rất xa, mặc dù thực tế là Vũ trụ đã trở nên trong suốt từ lâu. Điều này là do các photon cực tím (bước sóng ngắn) sẽ bị các nguyên tử hydro hấp thụ ngay lập tức, các điện tử gõ gõ ra khỏi các nguyên tử đó, trong khi các photon bước sóng dài hơn có thể đi xa hơn nhiều. Do đó, khí liên thiên hà lại bị ion hóa trong các quả cầu đang phát triển đều đặn xung quanh các nguồn ion hóa.
Tại một thời điểm, những quả cầu này đã trở nên lớn đến mức chúng chồng lên nhau hoàn toàn; điều này được gọi là kỷ nguyên của những người tái ion hóa. Cho đến lúc đó, bức xạ cực tím đã được các nguyên tử hấp thụ, nhưng Vũ trụ giờ cũng trở nên trong suốt đối với bức xạ này. Trước đây, không thể nhìn thấy ánh sáng cực tím từ những ngôi sao và thiên hà đầu tiên trên khoảng cách lớn, nhưng bây giờ Vũ trụ đột nhiên xuất hiện đầy những vật thể sáng. Chính vì lý do này mà khoảng thời gian giữa các thời kỳ tái tổ hợp của Hồi và Hồi tái ion hóa được gọi là Thời kỳ tối tăm.
Khi nào thì sự kết thúc của trò chơi Dark Dark Ages?
Kỷ nguyên chính xác của quá trình tái ion hóa là một chủ đề tranh luận tích cực giữa các nhà thiên văn học, nhưng kết quả gần đây từ các quan sát trên mặt đất và không gian cho thấy rằng Dark Dark Ages đã tồn tại vài trăm triệu năm. Các chương trình nghiên cứu khác nhau hiện đang được tiến hành nhằm cố gắng xác định tốt hơn khi những sự kiện ban đầu này xảy ra. Đối với điều này, cần phải tìm và nghiên cứu chi tiết các vật thể sớm nhất và do đó, xa nhất, trong vũ trụ - và đây là một nỗ lực quan sát rất khắt khe.
Ánh sáng bị làm mờ bởi hình vuông của khoảng cách và chúng ta càng nhìn ra ngoài không gian để quan sát một vật thể - và do đó càng quay ngược thời gian chúng ta nhìn thấy nó - nó càng mờ dần. Đồng thời, ánh sáng mờ của nó bị dịch chuyển về phía vùng đỏ của quang phổ do sự giãn nở của Vũ trụ - khoảng cách càng lớn, độ dịch chuyển đỏ quan sát được càng lớn [3].
Đường phát xạ Lyman-alpha
Với kính viễn vọng trên mặt đất, các giới hạn phát hiện mờ nhất đạt được bằng các quan sát trong phần nhìn thấy của phổ. Do đó, việc phát hiện các vật thể ở rất xa đòi hỏi phải quan sát các chữ ký quang phổ cực tím đã được dịch chuyển sang vùng nhìn thấy được. Thông thường, các nhà thiên văn học sử dụng cho đường phát xạ phổ Lyman-alpha dịch chuyển đỏ này với bước sóng nghỉ 121,6nm; nó tương ứng với các photon phát ra từ các nguyên tử hydro khi chúng thay đổi từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản.
Do đó, một cách rõ ràng để tìm kiếm các thiên hà xa nhất là tìm kiếm phát xạ Lyman-alpha ở bước sóng đỏ nhất (dài nhất) có thể. Bước sóng của dòng Lyman-alpha được quan sát càng dài, thì độ dịch chuyển và khoảng cách càng lớn, và trước đó là kỷ nguyên mà chúng ta nhìn thấy thiên hà và chúng ta càng tiến gần đến thời điểm đánh dấu sự kết thúc của Thời kỳ đen tối. Mùi.
Máy dò CCD được sử dụng trong các thiết bị thiên văn (cũng như trong máy ảnh kỹ thuật số thương mại) rất nhạy cảm với ánh sáng có bước sóng lên tới khoảng 1000nm (1? M), tức là ở vùng phổ hồng ngoại gần, vượt ra ngoài ánh sáng đỏ nhất có thể được cảm nhận bởi mắt người ở khoảng 700-750nm.
Bầu trời đêm gần hồng ngoại
Có một vấn đề khác, tuy nhiên, đối với loại công việc này. Việc tìm kiếm phát xạ Lyman-alpha mờ nhạt từ các thiên hà xa xôi rất phức tạp bởi thực tế là bầu khí quyển trên mặt đất - qua đó tất cả các kính viễn vọng trên mặt đất phải nhìn - cũng phát ra ánh sáng. Điều này đặc biệt như vậy ở phần đỏ và cận hồng ngoại của quang phổ nơi hàng trăm vạch phát xạ rời rạc bắt nguồn từ phân tử hydroxyl (gốc OH) có trong bầu khí quyển trên mặt đất ở độ cao khoảng 80 km (xem Ảnh PR 13a / 03).
Sự phát xạ mạnh mẽ này mà các nhà thiên văn học gọi là nền trời bầu trời, chịu trách nhiệm về giới hạn mờ nhạt mà tại đó các thiên thể có thể được phát hiện bằng kính viễn vọng trên mặt đất ở bước sóng gần hồng ngoại. Tuy nhiên, may mắn thay, có những khoảng phổ phổ của mức độ thấp của nền cơ sở thấp, trong đó các vạch phát xạ này mờ hơn nhiều, do đó cho phép giới hạn phát hiện mờ hơn từ các quan sát mặt đất. Hai cửa sổ tối trên bầu trời như vậy rõ ràng trong một bức ảnh PR 13a / 03 gần bước sóng 820 và 920nm.
Do đó, xem xét các khía cạnh này, một cách đầy hứa hẹn để tìm kiếm hiệu quả các thiên hà xa nhất là quan sát các bước sóng gần 920nm bằng bộ lọc quang băng hẹp. Điều chỉnh độ rộng phổ của bộ lọc này thành khoảng 10nm cho phép phát hiện càng nhiều ánh sáng từ các thiên thể càng tốt khi phát ra trong một vạch quang phổ phù hợp với bộ lọc, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi của phát xạ bầu trời.
Nói cách khác, với tối đa ánh sáng thu được từ các vật thể ở xa và tối thiểu ánh sáng nhiễu loạn từ bầu khí quyển trên mặt đất, cơ hội phát hiện những vật thể ở xa là tối ưu. Các nhà thiên văn học nói về việc tối đa hóa độ tương phản của các vật thể thể hiện các vạch phát xạ ở bước sóng này.
Chương trình tìm kiếm CFHT
Dựa trên những cân nhắc trên, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế [2] đã lắp đặt bộ lọc quang băng hẹp tập trung ở bước sóng gần hồng ngoại 920nm trên thiết bị CFH12K tại kính viễn vọng Canada-Pháp-Hawaii trên Mauna Kea (Hawaii, Hoa Kỳ) để tìm kiếm các thiên hà cực kỳ xa xôi. CFH12K là một máy ảnh trường rộng được sử dụng ở trọng tâm chính của CFHT, cung cấp góc nhìn gần đúng. 30 x 40 arcmin2, lớn hơn một chút so với trăng tròn [5].
Bằng cách so sánh các hình ảnh của cùng một bầu trời được chụp qua các bộ lọc khác nhau, các nhà thiên văn học có thể xác định các vật thể xuất hiện tương đối sáng trong hình ảnh NB920 và hình mờ mờ (hoặc thậm chí không nhìn thấy được) trong các hình ảnh tương ứng thu được qua các bộ lọc khác . Một ví dụ nổi bật được thể hiện trong PR Photo 13b / 03 - đối tượng ở trung tâm có thể nhìn thấy rõ trong hình ảnh 920nm, nhưng hoàn toàn không xuất hiện trong các hình ảnh khác.
Lời giải thích khả dĩ nhất cho một vật thể có màu sắc khác thường như vậy là nó là một thiên hà rất xa mà bước sóng quan sát được của vạch phát xạ Lyman-alpha mạnh là gần 920nm, do dịch chuyển đỏ. Bất kỳ ánh sáng nào được thiên hà phát ra ở bước sóng ngắn hơn Lyman-alpha đều bị hấp thụ mạnh bằng cách can thiệp khí hydro giữa các vì sao và giữa các thiên hà; đây là lý do mà đối tượng không thể nhìn thấy trong tất cả các bộ lọc khác.
Phổ VLT
Để tìm hiểu bản chất thực sự của vật thể này, cần phải thực hiện theo dõi bằng quang phổ, bằng cách quan sát phổ của nó. Điều này đã được thực hiện với thiết bị đa chế độ FORS 2 tại kính viễn vọng VLT YEPUN 8.2 m tại Đài quan sát Paranal ESO. Cơ sở này cung cấp một sự kết hợp hoàn hảo của độ phân giải quang phổ vừa phải và độ nhạy cao trong màu đỏ cho loại quan sát rất khắt khe này. Phổ kết quả (mờ) được hiển thị trong PR Photo 13c / 03.
Ảnh PR 13d / 03 cho thấy dấu vết của phổ cuối cùng (đã được làm sạch) của đối tượng sau khi trích xuất từ hình ảnh được hiển thị trong PR Photo 13c / 03. Một đường phát xạ rộng được phát hiện rõ ràng (ở bên trái của trung tâm; mở rộng trong phần chèn). Nó không đối xứng, bị đè xuống ở phía bên trái (bên trái). Điều này, kết hợp với thực tế là không có ánh sáng liên tục được phát hiện ở bên trái của dòng, là một dấu hiệu quang phổ rõ ràng của dòng Lyman-alpha: photon Ả Rập xanh hơn Lyman-alpha bị hấp thụ rất nhiều bởi khí có trong chính thiên hà và trong môi trường liên thiên hà dọc theo đường ngắm giữa Trái đất và vật thể.
Do đó, các quan sát quang phổ cho phép các nhà thiên văn học xác định rõ ràng đường này là Lyman-alpha, và do đó để xác nhận khoảng cách lớn (dịch chuyển đỏ cao) của vật thể cụ thể này. Độ dịch chuyển đỏ đo được là 6.17, làm cho vật thể này trở thành một trong những thiên hà xa nhất từng được phát hiện. Nó đã nhận được chỉ định là z6VDF J022804-041618, - phần đầu tiên của cái tên hơi khó sử dụng này đề cập đến khảo sát và phần thứ hai chỉ ra vị trí của thiên hà này trên bầu trời.
Ánh sao trong vũ trụ sơ khai
Tuy nhiên, những quan sát này đã không đến mà không bất ngờ! Các nhà thiên văn học đã hy vọng (và dự kiến) sẽ phát hiện dòng Lyman-alpha từ vật thể ở trung tâm của cửa sổ quang phổ 920nm. Tuy nhiên, trong khi dòng Lyman-alpha được tìm thấy, nó được định vị ở bước sóng ngắn hơn một chút.
Do đó, không phải sự phát xạ Lyman-alpha đã khiến thiên hà này trở nên sáng chói trong hình ảnh dải hẹp (NB920), mà là phát xạ liên tục của Hồi ở bước sóng dài hơn Lyman-alpha. Bức xạ này rất mờ có thể nhìn thấy dưới dạng đường ngang, khuếch tán trong PR Ảnh 13c / 03.
Một hậu quả là độ dịch chuyển đỏ đo được của 6.17 thấp hơn so với dịch chuyển đỏ dự đoán ban đầu là khoảng 6.5. Một điều nữa là z6VDF J022804-041618 được phát hiện bởi ánh sáng từ các ngôi sao khổng lồ của nó (sự liên tục của Hồi) và không phải do phát xạ từ khí hydro (dòng Lyman-alpha).
Kết luận thú vị này được đặc biệt quan tâm vì nó cho thấy về nguyên tắc có thể phát hiện các thiên hà ở khoảng cách rất lớn này mà không cần phải dựa vào đường phát xạ Lyman-alpha, có thể không phải lúc nào cũng có mặt trong quang phổ của các thiên hà xa xôi. Điều này sẽ cung cấp cho các nhà thiên văn học một bức tranh đầy đủ hơn về dân số thiên hà trong vũ trụ sơ khai.
Hơn nữa, việc quan sát ngày càng nhiều các thiên hà xa xôi này sẽ giúp hiểu rõ hơn về trạng thái ion hóa của Vũ trụ ở thời đại này: ánh sáng cực tím phát ra từ các thiên hà này sẽ không đến được chúng ta trong Vũ trụ trung tính của Hồi giáo, tức là trước khi tái ion hóa xảy ra. . Việc săn lùng nhiều thiên hà như vậy hiện đang được thực hiện để làm rõ quá trình chuyển đổi từ thời kỳ đen tối đã xảy ra như thế nào!
Nguồn gốc: ESO News Release
