Sledování kosmického úsvitu – 250 milionů až 350 milionů let po začátku vesmíru

Kosmický úsvit, kdy se hvězdy poprvé formovaly, nastal 250 milionů až 350 milionů let po začátku vesmíru, podle nové studie vedené vědci z University College London (UCL) a University of Cambridge.

Studie publikovaná v Měsíční oznámení Královské astronomické společnostiy, naznačuje, že vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) NASA, který má být spuštěn v listopadu, bude dostatečně citlivý na to, aby přímo sledoval zrození galaxií.

Výzkumný tým vedený Spojeným královstvím zkoumal šest nejvzdálenějších galaxií, které jsou v současné době známy, jejichž světlo trvalo většinu života vesmíru, než se k nám dostalo. Zjistili, že vzdálenost těchto galaxií od Země odpovídá době „ohlédnutí“ před více než 13 miliardami let, kdy byl vesmír starý jen 550 milionů let.

Při analýze snímků z Hubblova a Spitzerova kosmického dalekohledu vědci vypočítali věk těchto galaxií v rozmezí od 200 do 300 milionů let, což umožnilo odhadnout, kdy se jejich hvězdy poprvé formovaly.

Barevný obraz kupy galaxií použitý k odhalení jedné ze šesti galaxií, MACS0416-JD, zkoumaný ve studii vedené vědci z University College London a University of Cambridge. Věk této galaxie se odhaduje na 351 milionů let, což znamená, že tato galaxie byla vytvořena 178 milionů let po Velkém třesku. Hvězdná hmotnost této galaxie je miliardkrát větší než hmotnost Slunce. Tento objekt je v současnosti nejvzdálenější galaxií, která byla kdy pomocí ALMA objevena. Uznání: ESA / Hubble, NASA, HST Frontier Fields

Vedoucí autor Dr. Nicolas Laporte (University of Cambridge), který projekt zahájil na Kalifornské univerzitě, uvedl: „Teoretici věří, že vesmír byl prvních několik set milionů let temným místem, než se zformovaly první hvězdy a galaxie.

„Sledování okamžiku, kdy byl vesmír poprvé ponořen do hvězdného světla, je v astronomii velkým úkolem.“

„Naše pozorování naznačují, že ke kosmickému úsvitu došlo mezi 250 až 350 miliony let po začátku vesmíru a v době jejich vzniku byly galaxie, jako jsou ty, které jsme studovali, dostatečně jasné, aby je bylo možné vidět pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba.“

Vědci analyzovali světlo hvězd z galaxií zaznamenané Hubbleovým a Spitzerovým kosmickým dalekohledem a zkoumali znamení v jejich distribuci energie naznačující přítomnost atomového vodíku * ve hvězdné atmosféře. To poskytuje odhad věku hvězd, které je obsahují.

Video ukazuje vznik a vývoj prvních hvězd a galaxií ve virtuálním světě podobném našemu vesmíru. Simulace začíná před kosmickým úsvitem, kdy vesmír postrádá světlo hvězd, a pokračuje až do epochy 550 milionů let po Velkém třesku, kdy je pozorováno šest galaxií analyzovaných Dr. Laportem a kolegy. Věk vesmíru v milionech let je zobrazen vlevo nahoře. Interiér se zaměřuje na vývoj galaxie podobný té z nedávné observační studie. Fialové oblasti zobrazují vláknitou distribuci plynu, kterým je většinou vodík. Bílé oblasti představují světlo hvězd, zatímco žluté oblasti zobrazují energetické záření z hmotnějších hvězd schopných ionizovat okolní plynný vodík. Když hmotné hvězdy rychle dosáhnou konce svého života, vybuchnou v prudkých explozích supernov, které vypudí okolní plyny a umožní tak úniku tohoto energetického záření. Galaxie, jako jsou ty, neustále ukazují akumulující se materiál ze sousedních menších systémů a rychle se slučují, aby vytvořily podstatnější galaxie pozorované Hubbleovým kosmickým dalekohledem v pozdějších dobách. Uznání: Dr Harley Katz, Beecroft Fellow, Department of Physics, University of Oxford

Tento vodíkový otisk sílí s věkem hvězd, ale zmenšuje se, když je galaxie starší než miliarda let. Závislost na věku vzniká, protože hmotnější hvězdy, které přispívají k tomuto signálu, spalují své jaderné palivo rychleji, a proto zemřou první.

Spoluautor Dr. Romain Meyer (UCL Physics & Astronomy a Max Planck Institute for Astronomy v Heidelbergu v Německu) uvedl: „Tento věkový indikátor se používá k datování hvězd v našem regionu v Mléčné dráze, ale lze jej použít i v historii velmi vzdálených galaxií., byl viděn ve velmi raném období vesmíru.

„Pomocí tohoto indikátoru můžeme dojít k závěru, že i v těchto raných dobách jsou naše galaxie staré mezi 200 a 300 miliony let.“

Při analýze dat z Hubbla a Spitzera vědci potřebovali odhadnout „rudý posuv“ každé galaxie, což naznačuje jejich kosmickou vzdálenost a poté retrográdní čas, ve kterém jsou pozorováni. K dosažení tohoto cíle provedli spektroskopická měření pomocí celých dalekohledů výkonných pozemních dalekohledů – chilského Large Millimeter Atacama Array (ALMA), European Very Large Telescope, Keck Dual Telescopes in Hawaii a Gemini-South Telescope.

Tato měření umožnila týmu potvrdit, že pohled na tyto galaxie je v souladu s pohledem na dobu, kdy byl vesmír starý 550 milionů let.

Spoluautor profesor Richard Ellis (UCLA Fyzika a astronomie), který během své kariéry sledoval vzdálenější galaxie než kdykoli předtím, řekl: „Za poslední desetiletí astronomové posunuli hranice toho, co můžeme pozorovat, do doby, kdy vesmír bylo 4 Kvůli omezené průhlednosti zemské atmosféry a schopnostem kosmických dalekohledů Hubble a Spitzer jsme však dosáhli svých limitů.

„Nyní netrpělivě očekáváme vypuštění vesmírného dalekohledu Jamese Webba, který, jak věříme, má schopnost sledovat kosmický úsvit naživo.“

„Snaha vidět tento důležitý okamžik v historii vesmíru byla po celá desetiletí svatým grálem astronomie. Jelikož jsme vyrobeni z materiálů zpracovaných ve hvězdách, znamená to do určité míry hledat náš původ.“ **

Nová studie zahrnovala astronomy z University of California-Santa Cruz, University of California a University of Texas.

Vědcům byla poskytnuta podpora od Nadace Kavli, Evropské rady pro výzkum, Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) a Národní vědecké nadace (NSF) ve Spojených státech.

Vesmírný dalekohled NASA James Webb, nástupce Hubblovy observatoře, je vypuštěn do vesmíru v listopadu. Bude to první observatoř v příštím desetiletí a bude sloužit tisícům astronomů po celém světě. Skládá se z infračervené observatoře, obrovského zrcadla o šířce 6,5 metru a slunečního štítu ve tvaru kosočtverce. Vědci z UCL z Mullard Space Science Laboratory zkonstruovali a otestovali klíčové komponenty přístrojů pro NIRSpec (Near Infrared Spectrometer), jeden ze čtyř přístrojů dalekohledu.

* Atomový vodík je vodík, který se nerozložil na protony a elektrony.

** Všechny nejtěžší prvky ve vesmíru – vše kromě vodíku, hélia a lithia – jsou vytvářeny ve hvězdách a poté naočkovány vesmírem, když hvězdy na konci svého života explodují. To zahrnuje prvky, z nichž jsou lidé vyrobeni – vápník v našich kostech a železo v naší krvi.

Odkaz: „Cosmic Dawn Survey: Ages and Star Formation History of Candidate z = 9 Galaxies“ autorů N Laporte, R. A. Meyer, R. S. Ellis, B. E. Robertson, J. Chisholm a G. W. Roberts-Borsani, 24. června 2021, Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
DOI: 10,1093 / mnras / stab1239