Il potente telescopio Subaru nelle Hawai ha trovato la galassia più lontana mai vista, situata a 12,88 miliardi di anni luce di distanza - questo è solo 780 milioni di anni dopo il Big Bang. Osservare oggetti così distanti è estremamente difficile, non solo a causa delle grandi distanze coinvolte, ma perché gran parte dell'Universo è stato oscurato dietro l'idrogeno neutro. Solo allora le stelle iniziarono a liberare questo idrogeno neutro, rendendo l'universo trasparente.
Gli astronomi che utilizzano il telescopio Subaru in Hawai hanno cercato 60 milioni di anni più indietro nel tempo rispetto a qualsiasi altro astronomo, per trovare la galassia conosciuta più lontana nell'universo. In tal modo, stanno sostenendo il record di Subaru per aver trovato le galassie più distanti e più antiche conosciute. La loro più recente scoperta è di una galassia chiamata I0K-1 che si trova così lontano che gli astronomi la vedono come appariva 12,88 miliardi di anni fa.
Questa scoperta, basata su osservazioni fatte da Masanori Iye dell'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone (NAOJ), Kazuaki Ota dell'Università di Tokyo, Nobunari Kashikawa del NAOJ e altri indica che le galassie esistevano solo 780 milioni di anni dopo la nascita dell'universo circa 13,66 miliardi di anni fa come una zuppa calda di particelle elementari.
Per rilevare la luce proveniente da questa galassia, gli astronomi hanno utilizzato la telecamera Suprime-Cam del telescopio Subaru dotata di uno speciale filtro per cercare galassie lontane candidate. Hanno trovato 41.533 oggetti, e da quelli identificati due galassie candidate per ulteriori studi usando la Faint Object Camera e lo Spettrografo (FOCAS) su Subaru. Hanno scoperto che IOK-1, il più luminoso dei due, ha uno spostamento verso il rosso di 6,964, confermando la sua distanza di 12,88 miliardi di anni luce.
La scoperta sfida gli astronomi a determinare esattamente cosa è successo tra 780 e 840 milioni di anni dopo il Big Bang. IOK-1 è una delle uniche due galassie nel nuovo studio che potrebbero appartenere a questa epoca lontana. Dato il numero di galassie scoperte a partire da 840 milioni di anni dopo il Big Bang, il team di ricerca si aspettava di trovare fino a sei galassie a questa distanza. La rarità comparativa di oggetti come IOK-1 significa che l'universo deve essere cambiato nel corso dei 60 milioni di anni che separano le due epoche.
L'interpretazione più eccitante di ciò che è accaduto è che stiamo vedendo un evento noto agli astronomi come la reionizzazione dell'universo. In questo caso, 780 milioni di anni dopo il Big Bang, l'universo aveva ancora abbastanza idrogeno neutro per bloccare la nostra visione delle giovani galassie assorbendo la luce prodotta dalle loro giovani stelle calde. Sessanta milioni di anni dopo, c'erano abbastanza giovani stelle calde per ionizzare il restante idrogeno neutro, rendendo l'universo trasparente e permettendoci di vedere le loro stelle.
Un'altra interpretazione dei risultati afferma che c'erano meno giovani galassie grandi e luminose 780 milioni di anni dopo il Big Bang rispetto a 60 milioni di anni dopo. In questo caso, la maggior parte della reionizzazione avrebbe avuto luogo prima di 12,88 miliardi di anni fa.
Indipendentemente da quale interpretazione prevale, la scoperta segnala che gli astronomi stanno ora scavando la luce dai "secoli oscuri" dell'universo. Questa è l'epoca in cui sono nate le prime generazioni di stelle e galassie e un'epoca che gli astronomi non sono stati in grado di osservare fino ad ora.
INFORMAZIONI DI BASE:
Archeologia dell'Universo primordiale con filtri speciali
Le galassie neonate contengono stelle con una vasta gamma di masse. Le stelle più pesanti hanno temperature più elevate ed emettono radiazioni ultraviolette che riscaldano e ionizzano i gas vicini. Man mano che il gas si raffredda, irradia energia in eccesso in modo che possa tornare a uno stato neutro. In questo processo, l'idrogeno emetterà sempre luce a 121,6 nanometri, chiamata linea Lyman-alfa. Qualsiasi galassia con molte stelle calde dovrebbe brillare brillantemente a questa lunghezza d'onda. Se le stelle si formano tutte in una volta, le stelle più luminose potrebbero produrre emissioni di Lyman-alpha per 10 a 100 milioni di anni.
Al fine di studiare galassie come IOK-1 che esistono nei primi tempi nell'universo, gli astronomi devono cercare la luce Lyman-alfa che viene allungata e spostata in rosso su lunghezze d'onda più lunghe man mano che l'universo si espande. Tuttavia, a lunghezze d'onda superiori a 700 nanometri, gli astronomi devono fare i conti con le emissioni in primo piano delle molecole di OH nella stessa atmosfera terrestre che interferiscono con le deboli emissioni di oggetti distanti.
Per rilevare la debole luce proveniente da galassie distanti, il team di ricerca stava osservando a lunghezze d'onda in cui l'atmosfera della Terra non brilla molto, attraverso finestre a 711, 816 e 921 nanometri. Queste finestre corrispondono all'emissione Lyman-alpha spostata in rosso dalle galassie con spostamenti in rosso rispettivamente di 4.8, 5.7 e 6.6. Questi numeri indicano quanto l'universo sia stato molto più piccolo rispetto ad oggi e corrispondono a 1,26 miliardi di anni, 1,01 miliardi di anni e 840 milioni di anni dopo il Big Bang. È come fare archeologia dell'universo primordiale con filtri particolari che consentono agli scienziati di vedere in diversi strati di uno scavo.
Per ottenere i loro spettacolari nuovi risultati, il team ha dovuto sviluppare un filtro sensibile alla luce con lunghezze d'onda di soli 973 nanometri, che corrisponde all'emissione alfa di Lyman con uno spostamento rosso di 7,0. Questa lunghezza d'onda è al limite dei moderni CCD, che perdono sensibilità a lunghezze d'onda superiori a 1000 nanometri. Questo filtro unico nel suo genere, chiamato NB973, utilizza la tecnologia di rivestimento multistrato e ha impiegato più di due anni per svilupparsi. Non solo il filtro doveva far passare la luce con lunghezze d'onda solo di circa 973 nanometri, ma doveva anche coprire uniformemente l'intero campo visivo del fuoco principale del telescopio. Il team ha lavorato con una società, Asahi Spectra Co.Ltd, per progettare un filtro prototipo da utilizzare con la Faint Object Camera di Subaru, quindi ha applicato quell'esperienza alla realizzazione del filtro per Suprime-Cam.
Le osservazioni
Le osservazioni con il filtro NB973 si sono svolte durante la primavera del 2005. Dopo oltre 15 ore di tempo di esposizione, i dati ottenuti hanno raggiunto una magnitudine limite di 24,9. C'erano 41.533 oggetti in questa immagine, ma un confronto con immagini prese ad altre lunghezze d'onda ha mostrato che solo due degli oggetti erano luminosi solo nell'immagine NB973. Il team ha concluso che solo quei due oggetti potevano essere galassie con un redshift di 7.0. Il passo successivo è stato confermare l'identità dei due oggetti, IOK-1 e IOK-2, e il team li ha osservati con la Faint Object Camera e lo Spettrografo (FOCAS) sul telescopio Subaru. Dopo 8,5 ore di tempo di esposizione, il team è stato in grado di ottenere uno spettro di una linea di emissione dal più luminoso dei due oggetti, IOK-1. Il suo spettro mostrava un profilo asimmetrico caratteristico dell'emissione Lyman-alfa da una galassia lontana. La linea di emissione era centrata su una lunghezza d'onda di 968,2 nanometri (spostamento rosso 6.964), corrispondente a una distanza di 12,88 miliardi di anni luce e un tempo di 780 milioni di anni dopo il Big Bang.
L'identità della seconda galassia candidata
Tre ore di osservazione non hanno prodotto risultati conclusivi per determinare la natura di IOK-2. Il team di ricerca da allora ha ottenuto più dati che ora vengono analizzati. È possibile che IOK-2 possa essere un'altra galassia distante o potrebbe essere un oggetto con luminosità variabile. Ad esempio, una galassia con una supernova o un buco nero che ingoia attivamente materiale che è appena apparso luminoso durante le osservazioni con il filtro NB973. (Le osservazioni negli altri filtri sono state fatte da uno a due anni prima.)
Il campo profondo di Subaru
Il telescopio Subaru è particolarmente adatto per la ricerca delle galassie più distanti. Di tutti i telescopi di classe da 8 a 10 metri al mondo, è l'unico con la capacità di montare una fotocamera a fuoco primario. Il focus principale, nella parte superiore del tubo del telescopio, ha il vantaggio di un ampio campo visivo. Di conseguenza, Subaru attualmente domina l'elenco delle galassie conosciute più distanti. Molti di questi si trovano in una regione del cielo in direzione della costellazione del Coma Berenices chiamato Subaru Deep Field che il team di ricerca ha selezionato per uno studio intenso a molte lunghezze d'onda.
La storia antica dell'universo e la formazione delle prime galassie
Per mettere questo risultato di Subaru nel contesto, è importante rivedere ciò che sappiamo della storia dell'universo primordiale. L'universo è iniziato con il Big Bang, che si è verificato circa 13,66 miliardi di anni fa in un caos infuocato di temperature e pressioni estreme. Entro i suoi primi tre minuti, l'universo infantile si espanse e si raffreddò rapidamente, producendo i nuclei di elementi leggeri come idrogeno ed elio ma pochissimi nuclei di elementi più pesanti. In 380.000 anni, le cose si erano raffreddate a una temperatura di circa 3.000 gradi. A quel punto, elettroni e protoni potrebbero combinarsi per formare idrogeno neutro.
Con gli elettroni ora legati ai nuclei atomici, la luce potrebbe viaggiare attraverso lo spazio senza essere dispersa dagli elettroni. Possiamo effettivamente rilevare la luce che permeava l'universo allora. Tuttavia, a causa del tempo e della distanza, è stato allungato di un fattore 1.000, riempiendo l'universo di radiazioni che rileviamo come microonde (chiamato Sfondo Cosmic Microonde). La sonda spaziale Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha studiato questa radiazione e i suoi dati hanno permesso agli astronomi di calcolare l'età dell'universo a circa 13,66 miliardi di anni. Inoltre, questi dati implicano l'esistenza di cose come la materia oscura e l'energia oscura ancora più enigmatica.
Gli astronomi pensano che nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, l'universo abbia continuato a raffreddarsi e che la prima generazione di stelle e galassie si sia formata nelle regioni più dense di materia e materia oscura. Questo periodo è noto come il "Medioevo" dell'universo. Non ci sono ancora osservazioni dirette di questi eventi, quindi gli astronomi stanno usando simulazioni al computer per collegare previsioni teoriche e prove osservative esistenti per comprendere la formazione delle prime stelle e galassie.
Una volta nate le stelle luminose, la loro radiazione ultravioletta può ionizzare gli atomi di idrogeno nelle vicinanze suddividendoli in elettroni e protoni separati. Ad un certo punto, c'erano abbastanza stelle luminose per ionizzare quasi tutto l'idrogeno neutro nell'universo. Questo processo è chiamato reionizzazione dell'universo. L'epoca della reionizzazione segna la fine dell'età oscura dell'universo. Oggi la maggior parte dell'idrogeno nello spazio tra le galassie è ionizzata.
Individuazione dell'epoca della reionizzazione
Gli astronomi hanno stimato che la reionizzazione avvenne tra 290 e 910 milioni di anni dopo la nascita dell'universo. Individuare l'inizio e la fine dell'epoca della reionizzazione è una delle pietre miliari importanti per capire come si evolve l'universo ed è un'area di intenso studio in cosmologia e astrofisica.
Sembra che guardando più indietro nel tempo, le galassie diventano sempre più rare. Il numero di galassie con uno spostamento verso il rosso di 7,0 (che corrisponde a un tempo di circa 780 milioni di anni dopo il Big Bang) sembra inferiore a quello che gli astronomi vedono con uno spostamento verso il rosso di 6,6 (che corrisponde a un tempo di circa 840 milioni di anni dopo il Big Bang) . Poiché il numero di galassie conosciute con uno spostamento verso il rosso di 7,0 è ancora piccolo (solo una!), È difficile fare raffronti statistici. Tuttavia, è possibile che la diminuzione del numero di galassie con spostamento verso il rosso più elevato sia dovuta alla presenza di idrogeno neutro che assorbe l'emissione di Lyman-alfa dalle galassie con spostamento verso il rosso più elevato. Se ulteriori ricerche possono confermare che la densità numerica di galassie simili diminuisce tra uno spostamento verso il rosso di 6,6 e 7,0, potrebbe significare che IOK-1 esisteva durante l'epoca della reionizzazione dell'universo.
Questi risultati saranno pubblicati nell'edizione del 14 settembre 2006 di Nature.
Fonte originale: comunicato stampa Subaru
