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 .
Współautor 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 “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.
