Czym są najstarsze obiekty we Wszechświecie?

To pytanie tylko wydaje się proste. W rzeczywistości ten złożony problem już na początku wymaga zdefiniowania niemal wszystkich zawartych w powyższym pytaniu pojęć, takich jak “najstarsze”, “są”, “obiekty” i “Wszechświat”.

Jako „są” można przyjąć mniej więcej tyle, co „istnieją teraz lub istniały kiedykolwiek w historii Wszechświata”. To ciekawa kwestia. Bardzo odległe od nas obiekty są jednocześnie bardzo stare, a niektóre z nich powstały na krótko po Wielkim Wybuchu. Możemy dziś obserwować ich światło lub odbierać inne rodzaje promieniowania, jednak w wielu przypadkach te ciała niebieskie już od dawna nie istnieją. A nawet jeśli mogłyby istnieć aż do dziś, nie jesteśmy pewni, czy faktycznie jeszcze są tam gdzieś, daleko stąd. Najbezpieczniej jest zatem przyjąć, że „istnienie” oznacza tyle co „pojawienie się kiedykolwiek w historii Kosmosu, w pewnych współrzędnych czasoprzestrzennych.” Inaczej mówiąc, każdy dostępny naszym obserwacjom obiekt uznaje się za rzeczywisty.

„Obiekty” rozumiemy jako „ciała niebieskie”. W rzeczywistości za obiekt fizyczny można jednak uznać cokolwiek, w tym pojedynczą cząsteczkę. Nie chcemy jednak zakończyć naszej analizy na uznaniu za najstarsze obiekty kosmiczne pierwotnych atomów wodoru lub promieniowania reliktowego, które pojawiło się po kosmologicznej epoce rekombinacji – gdy fotony zaczęły podróżować poprzez Wszechświat jako wolne cząstki przenoszące oddziaływania. To faktycznie najstarsze dostępne naszym obserwacjom rzeczy – jednak nas interesują wielkie i złożone obiekty. Takie jak galaktyki czy gromady galaktyk.

Kolejnym wyzwaniem jest zdefiniowanie Wszechświata. Przyjmijmy, że jest to cały dostępny naszym obserwacjom „świat” złożony z czasu, przestrzeni i obiektów kosmicznych. Obiekty te możemy dziś obserwować, ponieważ od momentu powstawania Wszechświata ich światło, wyemitowane zwykle wiele tysięcy lat temu, miało czas do nas dotrzeć. Możemy rozważyć tak zwany horyzont kosmologiczny. To miara odległości, z jakiej możemy jeszcze odbierać promieniowanie, lub jakiekolwiek inne informacje. Nietrudno zauważyć, że odległość taka jednocześnie definiuje obserwowany Wszechświat. To w uogólnieniu reprezentacja najdalszej odległości, z jakiej światło mogło w określonym czasie dotrzeć do współczesnego obserwatora. Ale Wszechświat cały czas się rozszerza, a tempo jego ekspansji jest prawdopodobnie większe niż prędkość światła w próżni. A to oznacza, że mogły istnieć bardzo stare ciała niebieskie, które wyemitowały światło bardzo, bardzo dawno temu, ale to było to zbyt dawno, by ich promieniowanie mogło kiedykolwiek do nas dotrzeć – na skutek właśnie tego, że Kosmos sam w sobie rozszerza się szybciej i światło to nie może jak gdyby nas dogonić.

W rzeczywistości odkryto już wielu kandydatów na najstarsze obiekty kosmiczne. Kilka lat temu astronomowie ogłosili odkrycie niezwykle odległego Błysku Gamma. Później, w roku 2010, pojawiły się doniesienia o odkryciu innego ciekawego obiektu: galaktyki tzw. głębokiego pola (ang. Hubble Ultra Deep Field) o nazwie UDFy-38135539. Czas, w jakim jej światło dotarło do Ziemi, szacowany jest na 13.7 miliarda lat, a jej obecna odległość – na 30 miliardów lat. Przez pewien czas było to najstarsze obserwowalne spektroskopowo ciało niebieskie. Ale z końcem roku 2012 posypały się nowe odkrycia.

Dzisiejsza lista kandydatów na najstarsze obiekty jest długa, ale i pełna niedopowiedzeń. Nie jest ona kompletna w sensie jakości i dostępności części danych używanych do poprawnego wyznaczania odległości. Są na niej błyski Gamma, galaktyki, protogalaktyki, oraz kwazar. Jednak obiekty o największych wartościach przesunięcia ku czerwieni nie są do dziś dostatecznie pewne – nie wiadomo, czy ich redshifty są faktycznie aż tak duże, jak się wydaje na pierwszy rzut oka (na ich widmo). Najstarszym spektroskopowo potwierdzonym obiektem jest więc dla nas galaktyka z8_GND_5296 z z≅7.51 i odpowiadającym mu „wiekiem świetlnym” rzędu 13 Gly. Została ona odkryta przez zespół pod kierownictwem Stevena Finkelsteina z Uniwersytetu w Teksasie i opublikowana w 2013 roku w prestiżowym piśmie Nature. z8_GND_5296 wygląda dla nas tak, jaką była w czasie zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zatem to odkrycie nie tylko mówi nam wiele o samej ewolucji galaktyk, ale i o warunkach panujących w Kosmosie, gdy liczył one sobie zaledwie 5% swojego obecnego wieku.

Naukowcy odkrywają bardzo stare galaktyki na podstawie ich obserwacjo optycznych – a konkretniej, na bazie ich bardzo specyficznych barw na zdjęciach z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Aby jednak dobrze zmierzyć odległość do danej galaktyki, najlepiej jest wykorzystać metody spektroskopowe i wyznaczyć jej redshift, czyli przesunięcie widma obiektu i jego charakterystycznych cech/struktur w stronę czerwonej części znanego nam, doświadczalnie wyznaczalnego widma elektromagnetycznego. Zjawisko to jest wynikiem „rozciągania się” całej drogi światła od obiektu do Ziemi na skutek ciągle trwającej ekspansji Kosmosu. Typowe galaktyki mają redshifty mniejsze niż 1, a nawet bardzo dalekie kwazary – nie większe niż 2 – 3. Aby zmierzyć przesunięcie ku czerwieni dla z8_GND_5296 naukowcy wykorzystali szczegółowe widma zmierzone przez jeden z największych teleskopów optycznych świata, Keck I. Ekstremalny redshift został potwierdzony poprzez pomiar przesunięcia prążka linii emisyjnej wodoru z serii Lyman-alfa, który w tak odległych galaktyk względnie łatwy do zidentyfikowania.

Jak zatem wygląda najstarsza galaktyka? Nie wiemy, jaka jest teraz, ale w swej młodości jej tempo produkcji gwiazd było ogromne, rzędu 300 „słońc” na nasz rok. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy, a jej obecna odległość do Ziemi wynosi około 30 miliardów lat świetlnych.

Czytaj więcej: