Šiuolaikiniai teleskopai ir metodai, padedantys tirti ankstyvąsias galaktikas ir kosminę aušrą
Astronomai pirmąjį milijardą metų kosminės istorijos dažnai vadina „kosmine aušra“ (angl. cosmic dawn) – tai laikotarpis, kai formavosi pirmosios žvaigždės bei galaktikos, o galiausiai įvyko Visatos rejonizacija. Stebėti šią esminę pereinamąją fazę yra vienas didžiausių iššūkių stebėjimo kosmologijoje, nes objektai blankūs, tolimi ir skendi ankstyvųjų procesų „poskonyje“. Tačiau tokie nauji teleskopai kaip Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST) ir pažangios įvairaus elektromagnetinio spektro technikos leidžia astronomams pamažu atskleisti, kaip iš beveik „švarių“ dujų gimė galaktikos, uždegė pirmąsias žvaigždes ir transformavo kosmosą.
Šiame straipsnyje aptarsime, kaip mokslininkai plečia stebėjimo ribas, kokias strategijas naudoja, kad užfiksuotų ir apibūdintų didelių raudonųjų poslinkių galaktikas (z ≳ 6), bei ko šie atradimai mus moko apie ankstyvą kosminės struktūros gimimą.
1. Kodėl pirmasis milijardas metų yra svarbus
1.1 Kosminės evoliucijos slenkstis
Po Didžiojo sprogimo (~13,8 mlrd. metų), Visata iš karštos ir tankios plazmos tapo daugiausia neutrali, tamsi – kai protonai ir elektronai susijungė (rekombinacija). Tamsiųjų amžių metu dar nebuvo jokių ryškų šviesos šaltinių. Vos tik ėmus formuotis pirmosioms (Population III) žvaigždėms ir protogalaktikoms, jos pradėjo Visatos rejonizaciją ir praturtinimą, taip suformuodamos ateities galaktikų augimo šabloną. Tyrimas šios epochos leidžia suprasti, kaip:
- Žvaigždės pradžioje susidarė beveik be metalų aplinkoje.
- Galaktikos rinkosi mažuose tamsiosios materijos haluose.
- Rejonizacija kito, pakeisdama kosminių dujų fizinę būklę.
1.2 Sąsaja su dabartinėmis struktūromis
Dabartinių galaktikų stebėjimai (turinčių gausybę sunkiųjų elementų, dulkių ir sudėtingų žvaigždėdaros istorijų) tik iš dalies parodo, kaip jos išsivystė iš paprastesnių pradinių būsenų. Tiesiogiai stebėdami galaktikas per pirmąjį milijardą metų, mokslininkai iš arčiau pažįsta, kaip žvaigždėdaros tempai, dujų dinamika ir grįžtamieji ryšiai plėtojosi kosminėje aušroje.
2. Ankstyvosios Visatos tyrimų iššūkiai
2.1 Silpnas švytėjimas tolumoje (ir laike)
Objektai ties raudonuoju poslinkiu z > 6 yra labai blankūs, tiek dėl milžiniško atstumo, tiek dėl kosmologinio šviesos raudonojo poslinkio į infraraudonąją sritį. Be to, ankstyvosios galaktikos natūraliai yra mažesnės ir mažiau šviesios už vėlesnius milžinus, taigi jas dvigubai sunku aptikti.
2.2 Neutralaus vandenilio sugertis
Kosminės aušros laikotarpiu tarpgalaktinė terpė dar iš dalies buvo neutrali. Neutrus vandenilis smarkiai sugeria ultravioletinę (UV) šviesą. Tad tokios spektrinės linijos kaip Lymano-α gali būti prislopintos, kas apsunkina tiesioginį spektrinį patvirtinimą.
2.3 Triukšmas ir priekiniai spinduliuotės šaltiniai
Norint aptikti blankius signalus, tenka pralenkti ryškesnę priekinę kitų galaktikų šviesą, Paukščių Tako dulkių emisiją, Saulės sistemos zodiakinę šviesą ar pačių prietaisų foną. Tyrėjams reikia taikyti pažangų duomenų apdorojimą ir kalibravimo metodus, kad atskirtų ankstyvojo laikotarpio signalą.
3. Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST): perversmas
3.1 Infraraudonoji aprėptis
Paleistas 2021 m. gruodžio 25 d., JWST optimizuotas infraraudoniesiems stebėjimams, gyvybiškai svarbiems ankstyvosios Visatos tyrimams, mat UV ir regimoji šviesa iš tolimų galaktikų yra perkelta (raudonai paslinkta) į IR diapazoną. JWST prietaisai (NIRCam, NIRSpec, MIRI, NIRISS) dengia nuo artimojo iki vidutinio IR, leidžiant:
- Gilius vaizdus: Neregėto jautrumo stebėjimai galaktikų net z ∼ 10 (gal net iki z ≈ 15), jei tokių egzistuoja.
- Spektroskopiją: Išskaidant šviesą, galima tirti emisijos ir sugerties linijas (pvz., Lymano-α, [O III], H-α), svarbias atstumui (raudonajam poslinkiui) nustatyti ir dujų bei žvaigždžių savybėms analizuoti.
3.2 Pirmieji mokslo pasiekimai
Pirmosiomis JWST veikimo savaitėmis gauta intriguojančių rezultatų:
- Kandidatės galaktikos ties z > 10: Keli tyrėjai pranešė apie galaktikas, galbūt esančias ties raudonuoju poslinkiu 10–17, nors būtina patikima spektrinė patikra.
- Žvaigždžių populiacijos ir dulkės: Aukštos raiškos vaizdai rodo struktūrinius bruožus, žvaigždėdaros mazgelius bei dulkių pėdsakus galaktikose iš laikotarpio, kai Visatai tebuvo <5% dabartinio amžiaus.
- Jonizuotų „burbulų“ sekimas: Aptikus jonizuotų dujų emisijos linijas, JWST suteikia galimybę tirti, kaip rejonizacija plėtojosi aplink šias ryškias kišenes.
Nors tyrimų pradžia, šie rezultatai rodo, kad ankstyvoje epochoje galėjo egzistuoti gana išsivysčiusios galaktikos, gludindamos kai kurias ankstesnes hipotezes apie žvaigždėdaros laiką ir spartumą.
4. Kiti teleskopai ir metodai
4.1 Antžeminės observatorijos
- Dideli antžeminiai teleskopai: Tokie kaip Keck, VLT, Subaru, turintys didelius veidrodžių plotus ir pažangias priemones. Naudodami siaurajuostes filtravimo ar spektrines technologijas, jie aptinka Lymano-α spinduliuotę ties z ≈ 6–10.
- Naujos kartos: Kuriami ypač dideli veidrodžiai (pvz., ELT, TMT, GMT), kurių skersmuo >30 m. Jie žada pasiekti neįtikėtiną jautrumo lygį, kad spektroskopiškai ištirtų net blankesnes galaktikas, papildant JWST galimybes.
4.2 Kosminės UV ir regimosios srities apklausos
Nors ankstyvosios galaktikos spinduliuoja UV šviesą, perkeliamą į IR esant dideliems raudoniesiems poslinkiams, misijos kaip Hubble (pvz., COSMOS, CANDELS programos) suteikė gilius regimosios/arti IR srities vaizdus. Jų archyvai svarbūs identifikuojant ryškesnius kandidatus ties z ∼ 6–10, kuriuos paskui tikrina JWST ar antžeminiai spektrografai.
4.3 Submilimetriniai ir radijo stebėjimai
- ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array): Stebi dulkes ir molekulines dujas ankstyvose galaktikose (CO linijos, [C II] linija), svarbu aptikti žvaigždėdarą, galimai užtemdytą dulkėmis.
- SKA (Square Kilometre Array): Ateities radijo teleskopas, siekiantis pastebėti 21 cm signalo iš neutralaus vandenilio, taip sudarant rejonizacijos žemėlapį kosminėje erdvėje.
4.4 Gravitacinis lęšiavimas
Dideli galaktikų spiečiai gali veikti kaip gravitaciniai lęšiai, didinantys foninių objektų šviesį. Pasitelkdami „padidinimo koeficientą“, astronomai aptinka galaktikas, kurios kitaip liktų per blankios. Frontier Fields (Hubble ir JWST) vykdytos programos, nukreiptos į lęšiuojančius spiečius, padėjo aptikti galaktikų ties z > 10, dar arčiau kosminės aušros.
5. Pagrindinės stebėjimo strategijos
5.1 „Dropout“ arba „spalvos pasirinkimo“ metodai
Vienas pagrindinių metodų – Lymano lūžio (break) arba „dropout“ technika. Pavyzdžiui:
- Galaktika ties z ≈ 7 rodys, kad jos UV spinduliuotę (trumpesnę už Lymano ribą) sugeria aplinkinis neutralus vandenilis, taigi ši šviesa „prapuola“ regimuosiuose filtruose, bet „išnyra“ artimojo IR filtruose.
- Lyginant kelių bangų ilgių juostas, aptinkamos aukšto raudonojo poslinkio galaktikos.
5.2 Siaurajuostė emisinių linijų paieška
Kitas būdas – siauros juostos (narrow band) vaizdavimas ties tikėtina Lymano-α (ar kitų linijų, pvz. [O III], H-α) bangos ilgio padėtimi. Jei galaktikos raudonasis poslinkis sutampa su filtro lango pločiu, jos ryški emisija išsiskirs foniniame lauke.
5.3 Spektroskopinis patvirtinimas
Vien fotometrinė informacija duoda tik spėjamą „fotometrinį“ raudonąjį poslinkį, kurį gali iškreipti žemesnio z teršėjai (pvz., dulkėtos galaktikos). Spektroskopija, nustatant Lymano-α ar kitas emisijos linijas, galutinai patvirtina šaltinio atstumą. Tokie instrumentai kaip JWST NIRSpec ar antžeminiai spektrografai yra būtini tiksliam z nustatymui.
6. Ką sužinome: fiziniai ir kosminiai atradimai
6.1 Žvaigždėdaros sparta ir IMF
Naujų, ankstyvosios Visatos galaktikų duomenys leidžia įvertinti žvaigždėdaros spartos (SFR) dydžius ir pradinės masių funkcijos (IMF) galimą poslinkį į masyvias žvaigždes (kaip manoma metalų neturinčiai III populiacijai) ar artimesnį vietiniam žvaigždėdaros pobūdžiui.
6.2 Rejonizacijos eiga ir topologija
Sekant, kurios galaktikos skleidžia ryškią Lymano-α liniją bei kaip tai kinta su raudonuoju poslinkiu, mokslininkai piešia neutralaus tarpgalaktinio vandenilio santykį laikui bėgant. Tai padeda atkurti kada Visata buvo rejonizuota (z ≈ 6–8) ir kaip jonizuotos sritys apėmė žvaigždėdaros regionus.
6.3 Sunkesniųjų elementų (metalų) gausa
Infraraudonoji šių galaktikų emisijos spektrų analizė (pvz., [O III], [C III], [N II]) rodo cheminio praturtinimo ypatybes. Metalų aptikimas sufleruoja, kad ankstyvos supernovos jau spėjo „užkrėsti“ šias sistemas sunkesniais elementais. Metalų pasiskirstymas taip pat padeda įvertinti grįžtamojo ryšio procesus ir žvaigždžių populiacijų kilmę.
6.4 Kosminės struktūros atsiradimas
Didelio masto ankstyvųjų galaktikų tyrimai leidžia stebėti, kaip šie objektai telkiasi, nurodydami tamsiosios materijos halų mases ir ankstyvųjų kosminių gijų. Ieškant dabartinių masyvių galaktikų ir spiečių pirmtakų, atskleidžiama, kaip prasidėjo hierarchinis augimas.
7. Ateities perspektyvos: artėjantis dešimtmetis ir vėliau
7.1 Gilesnės JWST apklausos
JWST toliau vykdys ypač gilias stebėjimų programas (pvz., HUDF ar kiti nauji laukai) bei spektroskopinius tyrimus aukšto raudonojo poslinkio kandidatams. Galima tikėtis, kad bus nustatyta galaktikų iki z ∼ 12–15, jei jos egzistuoja ir yra pakankamai ryškios.
7.2 Itin dideli teleskopai (ELT ir kt.)
Antžeminiai milžinai – ELT, GMT, TMT – derins milžinišką šviesos surinkimo galią su pažangia adaptyvine optika, leisdami aukštos skyros spektroskopiją labai blankioms galaktikoms. Taip bus galima įvertinti ankstyvųjų galaktikų diskų dinamiką, stebėti sukimąsi, susijungimus bei grįžtamųjų ryšių srautus.
7.3 21 cm kosmologija
Observatorijos, tokios kaip HERA ir ilgainiui SKA, siekia užfiksuoti menką 21 cm linijos signalą iš neutralaus vandenilio ankstyvoje Visatoje, taip tomografiškai rekonstruojant rejonizacijos vyksmą. Šie duomenys puikiai papildo optinius/IR tyrimus, leisdami tirti jonizuotų ir neutralių regionų pasiskirstymą dideliais mastais.
7.4 Sąveika su gravitacinių bangų astronomija
Ateities kosminiai gravitacinių bangų detektoriai (pvz. LISA) galėtų aptikti masyvių juodųjų skylių susijungimus dideliuose raudonuosiuose poslinkiuose, kartu su elektromagnetiniais stebėjimais iš JWST ar antžeminių teleskopų. Tai padėtų išsamiau paaiškinti, kaip formavosi ir augo juodosios skylės kosminės aušros epochoje.
8. Išvada
Stebėti pirmąjį milijardą metų Visatos istorijos – nepaprastai sunki užduotis, bet šiuolaikiniai teleskopai ir išradingi metodai greitai sklaido tamsą. Džeimso Webbo kosminis teleskopas yra šios veiklos priešakyje, leisdamas ypatingai tiksliai „pažvelgti“ į artimąjį ir vidutinį infraraudonąjį diapazoną, kur dabar yra senųjų galaktikų spinduliuotė. Tuo tarpu antžeminiai milžinai ir radijo matavimai dar labiau praplečia galimybes, pasitelkiant Lymano lūžio metodus, siaurajuostę filtraciją, spektroskopines patikras ir 21 cm linijos analizes.
Tokie pirmeiviai tyrimai nagrinėja, kaip Visata perėjo iš tamsios epochos į periodą, kai pirmosios galaktikos pradėjo šviesti, juodosios skylės pradėjo nepaprastą augimą, o IGM virto iš daugiausia neutralios į beveik visiškai jonizuotą. Kiekvienas naujas atradimas pagilina mūsų supratimą apie žvaigždėdaros, grįžtamųjų ryšių ir cheminio praturtinimo ypatybes, egzistavusias kosminėje aplinkoje, labai nutolusioje nuo dabartinės. Šie duomenys aiškina, kaip iš tų menkų „aušros“ blyksčių prieš daugiau nei 13 mlrd. metų atsirado sudėtingas kosminis audinys, kupinas galaktikų, spiečių ir struktūrų, kuriuos regime šiandien.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Bouwens, R. J., et al. (2015). “UV Luminosity Functions at Redshifts z ~ 4 to z ~ 10.” The Astrophysical Journal, 803, 34.
- Livermore, R. C., Finkelstein, S. L., & Lotz, J. M. (2017). “Directly Observing the Cosmic Web’s Emergence.” The Astrophysical Journal, 835, 113.
- Coe, D., et al. (2013). “CLASH: Three Strongly Lensed Images of a Candidate z ~ 11 Galaxy.” The Astrophysical Journal, 762, 32.
- Finkelstein, S. L., et al. (2019). “The Universe’s First Galaxies: The Observational Frontier and the Comprehensive Theoretical Framework.” The Astrophysical Journal, 879, 36.
- Baker, J., et al. (2019). “High-Redshift Black Hole Growth and the Promise of Multi-Messenger Observations.” Bulletin of the AAS, 51, 252.