Mūsdienu teleskopi un metodes, kas palīdz pētīt agrīnās galaktikas un kosmisko rītausmu
Astronomi pirmo miljardu gadu kosmiskās vēstures bieži sauc par „kosmisko rītausmu“ (angļu val. cosmic dawn) – tas ir periods, kad veidojās pirmās zvaigznes un galaktikas, un galu galā notika Visuma rejonizācija. Novērot šo būtisko pārejas posmu ir viens no lielākajiem izaicinājumiem kosmoloģijas novērojumos, jo objekti ir vāji, tāli un peld agrīno procesu „pēcgaršā“. Tomēr tādi jauni teleskopi kā James Webb kosmiskais teleskops (JWST) un progresīvas dažādu elektromagnētiskā spektra tehnoloģijas ļauj astronomiem pakāpeniski atklāt, kā no gandrīz „tīrām“ gāzēm dzima galaktikas, aizdegās pirmās zvaigznes un transformēja kosmosu.
Šajā rakstā apskatīsim, kā zinātnieki paplašina novērojumu robežas, kādas stratēģijas izmanto, lai fiksētu un aprakstītu lielas sarkano nobīžu galaktikas (z ≳ 6), un ko šie atklājumi māca par agrīnu kosmiskās struktūras rašanos.
1. Kāpēc pirmais miljards gadu ir svarīgs
1.1 Kosmiskās evolūcijas slieksnis
Pēc Lielā sprādziena (~13,8 miljardiem gadu) Visums no karstas un blīvas plazmas kļuva galvenokārt neitrāls, tumšs – kad protoni un elektroni apvienojās (rekombinācija). Tumšo laikmetu laikā vēl nebija spilgtu gaismas avotu. Tiklīdz sāka veidoties pirmās (Population III) zvaigznes un protogalaktikas, tās sāka Visuma rejonizāciju un bagātināšanu, tā veidojot nākotnes galaktiku augšanas modeli. Šī laikmeta pētījums ļauj saprast, kā:
- Zvaigznes sākotnēji veidojās gandrīz bez metālu vidē.
- Galaktikas veidojās mazos tumšās matērijas halās.
- Rejonizācija mainījās, pārveidojot kosmisko gāzu fizisko stāvokli.
1.2 Saistība ar mūsdienu struktūrām
Mūsdienu galaktiku novērojumi (ar daudziem smagajiem elementiem, putekķiem un sareųģītām zvaigžņošanas vēsturēm) tikai daļēji parāda, kā tās attīstījās no vienkāršākām sākuma stāvokļiem. Tieši novērojot galaktikas pirmajā miljardā gadu, zinātnieki tuvāk iepazīst, kā zvaigžņošanas ātrums, gāzu dinamika un atgriezeniskā saite attīstījās kosmiskajā aušā.
2. Agrās Visuma izpētes izaicinājumi
2.1 Vāja mirdzuma attālumā (un laikā)
Objekti pie sarkanā nobīrdījuma z > 6 ir ļoti vāji, gan milzīga attāluma dēļ, gan kosmoloģiskās gaismas sarkanā nobīrdījuma dēļa uz infrasarkano jomu. Turklāt agrās galaktikas dabiski ir mazākas un mazāk spožas par vēlākajiem milžiem, tādējādi to atklāšana ir divreiz grūtāka.
2.2 Neitrālā ūdens absorbcija
Kosmiskās aušas laikmetā starpgalaktiskā vide joprojām bija daļēji neitrāla. Neitrāls ūdens piesaista ultravioletā (UV) gaismu. Tādējādi spektrālas līnijas kā Lymana-α var būt nomāktas, kas apgrūtina tiešu spektrālu apstiprinājumu.
2.3 Troksnis un priekšējie starojuma avoti
Lai uztvertu vājus signālus, jāpārspēj spoža priekšējā citu galaktiku gaisma, Piena Ceķa putekķu emisija, Saules sistēmas zodiakālā gaisma vai pašu ierīču fons. Pētniekiem jāpielieto progresīvi datu apstrādes un kalibrēšanas metodes, lai atdalītu agrā perioda signālu.
3. Džеймса Webba kosmiskais teleskops (JWST): revolūcija
3.1 Infrasarkanā aptvere
Palaists 2021. gada 25. decembrī, JWST ir optimizēts infrasarkanajiem novērojumiem, kas ir dzīvībā svarīgi agrās Visuma izpētē, jo UV un redzamā gaisma no tālām galaktikām ir pārvietota (sarkanoti nobīrdīta) uz IR diapazonu. JWST ierīces (NIRCam, NIRSpec, MIRI, NIRISS) aptver no tuva infrasarkanā līdz vidējam IR, ļaujot:
- Dziļie attēli: Neparasti jūtīgi novērojumi galaktikām pat z ≈ 10 (varbūt pat līdz z ≈ 15), ja tādas eksistē.
- Spektroskopija: Izklājot gaismu, var pētīt emisijas un absorbcijas līnijas (piemēram, Lymana-α, [O III], H-α), kas ir svarīgas attālumam (sarkanajam nobīrdījumam) noteikt un gāzu un zvaigžņu īpašību analīzei.
3.2 Pirmie zinātniskie sasniegumi
Pirmājās JWST darba nedēļas tika iegūti intriguējoši rezultāti:
- Kandidātēs galaktikas pie z > 10: Dažādi pētnieki ziņoja par galaktikām, kas varbūt atrodas pie sarkanā nobīrdījuma 10–17, lai gan ir nepieciešama uzticama spektrāla pārbaude.
- Zvaigždužių populiacijos un putekķi: Augstas izņēmšanas attēli parāda strukturālas īpašības, zvaigžņošanas mezglus un putekķu pēdas galaktikās no laikmeta, kad Visumam bija mazāk par <5% no tagadējā vecuma.
- Jonizēto "burbuļu" izpēte: Atklājot jonizēto gāzu emisijas līnijas, JWST sniedz iespēju pētīt, kā jonizācija attīstījās ap šīm spožajām kabatām.
Lai gan pētījumu sākums, šie rezultāti liecina, ka agrīnajā laikmetā varēja pastāvēt diezgan attīstītas galaktikas, koriģējot dažas agrākās hipotēzes par zvaigžņu veidošanās laiku un ātrumu.
4. Citi teleskopi un metodes
4.1 Zemes observatorijas
- Lieli zemes teleskopi: Tādi kā Keck, VLT, Subaru, ar lieliem spoguļu laukumiem un modernām ierīcēm. Izmantojot šaurjoslu filtrēšanas vai spektrālās tehnoloģijas, tie atklāj Laimana-α starojumu pie z ≈ 6–10.
- Nākamās paaudzes: Izstrādā ļoti lielus spoguļus (piemēram, ELT, TMT, GMT), kuru diametrs >30 m. Tie sola sasniegt neticamu jutības līmeni, lai spektroskopiski izpētītu pat vājākas galaktikas, papildinot JWST iespējas.
4.2 Kosmiskās UV un redzamās jomas aptaujas
Lai gan agrīnās galaktikas staro UV gaismu, kas pārvietota uz IR pie lielām sarkanajām nobīdēm, misijas kā Hubble (piemēram, COSMOS, CANDELS programmas) nodrošināja dziļus redzamās un tuvajās IR jomas attēlus. To arhīvi ir svarīgi, lai identificētu spožākos kandidātus pie z ∼ 6–10, kurus pēc tam pārbauda JWST vai zemes spektrografi.
4.3 Submilimetru un radio novērojumi
- ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array): Novēro putekļus un molekulāro gāzi agrīnās galaktikās (CO līnijas, [C II] līnija), svarīgi atklāt zvaigžņu veidošanos, iespējams, aizēnotu ar putekļiem.
- SKA (Square Kilometre Array): Nākotnes radio teleskops, kas cenšas novērot 21 cm signālu no neitrālā ūdeņraža, tādējādi veidojot jonizācijas karti kosmiskajā telpā.
4.4 Gravitācijas lēcu efekts
Lieli galaktiku kopumi var darboties kā gravitācijas lēcas, pastiprinot fona objektu spožumu. Izmantojot "palielinājuma koeficientu", astronomi atklāj galaktikas, kas citādi būtu pārāk vājās. Frontier Fields (Hubble un JWST) programmas, vērstas uz lēcu kopumiem, palīdzēja atklāt galaktikas pie z > 10, vēl tuvāk kosmiskajai aurorai.
5. Galvenās novērošanas stratēģijas
5.1 "Dropout" jeb "krāsu atlases" metodes
Viens no galvenajiem paņēmieniem ir Laimana lūzuma (break) jeb "dropout" tehnika. Piemēram:
- Galaktika pie z ≈ 7 parādīs, ka tās UV starojumu (īsāku par Laimana robežu) absorbē apkārtējais neitrālais ūdeņradis, tādējādi šī gaisma "pazūd" redzamajos filtrus, bet "parādās" tuvajos IR filtros.
- Salīdzinot vairākas viļņu garuma joslas, tiek atklātas augsta sarkanā nobīde galaktikas.
5.2 Šaurjoslu emisijas līniju meklēšana
Cits veids – šaurjoslu (narrow band) attēlošana pie paredzamās Laimana-α (vai citu līniju, piemēram, [O III], H-α) viļņa garuma pozīcijas. Ja galaktikas sarkanais nobīde sakrīt ar filtra loga platumu, tās spožā emisija izcelsies fonā.
5.3 Spektroskopiska apstiprināšana
Tikai fotometriskā informācija dod tikai aptuvenu "fotometrisko" sarkano nobīdi, ko var izkropļot zemāka z piesārņotāji (piemēram, putekļainas galaktikas). Spektroskopija, nosakot Laimana-α vai citas emisijas līnijas, galīgi apstiprina avota attālumu. Tādi instrumenti kā JWST NIRSpec vai zemes spektrografi ir nepieciešami precīzam z noteikšanai.
6. Ko uzzinām: fiziskie un kosmiskie atklājumi
6.1 Zvaigžņu veidošanās ātrums un IMF
Jauni dati par agrīno Visuma galaktikām ļauj novērtēt zvaigžņu veidošanās ātrumu (SFR) un sākotnējās masu funkcijas (IMF) iespējamo nobīdi uz masīvām zvaigznēm (kā uzskata, metālu neesošajai III populācijai) vai tuvāku vietējai zvaigžņu veidošanās raksturam.
6.2 Jonizācijas gaita un topoloģija
Novērojot, kuras galaktikas izstaro spožu Laimana-α līniju un kā tas mainās ar sarkano nobīdi, zinātnieki attēlo neitrālā starpgalaktiskā ūdeņraža attiecību laika gaitā. Tas palīdz atjaunot, kad Visums tika jonizēts (z ≈ 6–8) un kā jonizētās zonas aptvēra zvaigžņu veidošanās reģionus.
6.3 Smagāko elementu (metālu) bagātība
Infrasarkano šo galaktiku emisijas spektru analīze (piemēram, [O III], [C III], [N II]) atklāj ķīmiskā bagātinājuma īpatnības. Metālu atklāšana liecina, ka agrīnas supernovas jau ir "inficējušas" šīs sistēmas ar smagākiem elementiem. Metālu sadalījums arī palīdz novērtēt atgriezeniskās saites procesus un zvaigžņu populāciju izcelsmi.
6.4 Kosmisko struktūru rašanās
Liela mēroga agrīno galaktiku pētījumi ļauj novērot, kā šie objekti veidojas, norādot uz tumšās matērijas halu masām un agrīnajām kosmiskajām šķiedrām. Meklējot mūsdienu masīvo galaktiku un kopu priekštečus, tiek atklāts, kā sākās hierarhiskā izaugsme.
7. Nākotnes perspektīvas: tuvojošais desmitgads un vēlāk
7.1 Dziļākas JWST aptaujas
JWST turpinās veikt īpaši dziļas novērojumu programmas (piemēram, HUDF vai citas jaunas jomas) un spektroskopiskus pētījumus augsta sarkano nobīžu kandidātiem. Var cerēt, ka tiks atklātas galaktikas līdz z ∼ 12–15, ja tās pastāv un ir pietiekami spožas.
7.2 Ļoti lieli teleskopi (ELT u.c.)
Zemes milžiņi – ELT, GMT, TMT – apvienos milzīgu gaismas savākšanas spēku ar progresīvu adaptīvo optiku, ļaujot veikt augstas izšķirtspējas spektroskopiju ļoti vājām galaktikām. Tas ļaus novērtēt agrīno galaktiku disku dinamiku, novērot rotāciju, apvienošanos un atgriezeniskās saites plūsmas.
7.3 21 cm kosmoloģija
Observatorijas, piemēram, HERA un ilgtermiņā SKA, cenšas uztvert vājo 21 cm līnijas signālu no neitrālā ūdeņraža agrīnajā Visumā, tādējādi tomogrāfiski rekonstruējot rejonizācijas procesu. Šie dati lieliski papildina optiskos/IR pētījumus, ļaujot izpētīt jonizēto un neitrālo reģionu sadalījumu lielos mērogos.
7.4 Saskare ar gravitācijas viļņu astronomiju
Nākotnes kosmiskie gravitācijas viļņu detektori (piemēram, LISA) varētu atklāt masīvu melno caurumu saplūšanas lielos sarkanos nobīdes diapazonos, kopā ar elektromagnētiskajiem novērojumiem no JWST vai zemes teleskopiem. Tas palīdzētu detalizētāk izskaidrot, kā melnie caurumi veidojās un auga kosmiskās aušas laikmetā.
8. Secinājums
Novērot pirmo miljardu gadu Visuma vēsturē ir ārkārtīgi sarežģīts uzdevums, taču mūsdienu teleskopi un radošas metodes ātri izkliedē tumsu. Jamesa Webba kosmiskais teleskops ir šīs darbības priekšgalā, ļaujot īpaši precīzi “ielūkoties” tuvajā un vidējā infrasarkanajā diapazonā, kur tagad atrodas seno galaktiku starojums. Tikmēr zemes milži un radio mērījumi vēl vairāk paplašina iespējas, izmantojot Laimana pārrāvuma metodes, šauro joslu filtrāciju, spektroskopiskās pārbaudes un 21 cm līnijas analīzi.
Šie pirmie pētījumi izpēta, kā Visums pārgāja no tumšā laikmeta uz periodu, kad pirmās galaktikas sāka spīdēt, melnie caurumi uzsāka strauju izaugsmi, un IGM pārvērtās no galvenokārt neitrālas uz gandrīz pilnībā jonizētu. Katrs jauns atklājums padziļina mūsu izpratni par zvaigžņu veidošanās, atgriezeniskās saites un ķīmiskās bagātināšanas īpatnībām kosmiskajā vidē, kas atrodas ļoti tālu no mūsdienām. Šie dati skaidro, kā no tām niecīgajām “austra” mirkļiem pirms vairāk nekā 13 miljardiem gadu radās sarežģīta kosmiskā struktūra, pilna ar galaktikām, kopām un struktūrām, ko mēs redzam šodien.
Saites un papildu lasījumi
- Bouwens, R. J., et al. (2015). “UV spožuma funkcijas sarkano nobīžu diapazonā z ~ 4 līdz z ~ 10.” The Astrophysical Journal, 803, 34.
- Livermore, R. C., Finkelstein, S. L., & Lotz, J. M. (2017). “Tieša kosmiskā tīkla rašanās novērošana.” The Astrophysical Journal, 835, 113.
- Coe, D., et al. (2013). “CLASH: trīs spēcīgi lēcas attēli kandidāta z ~ 11 galaktikai.” The Astrophysical Journal, 762, 32.
- Finkelstein, S. L., et al. (2019). “Visuma pirmās galaktikas: novērojumu robeža un visaptverošs teorētiskais ietvars.” The Astrophysical Journal, 879, 36.
- Baker, J., et al. (2019). “Augsta sarkano nobīdes melno caurumu izaugsme un daudzkanālu novērojumu solījums.” Bulletin of the AAS, 51, 252.