A legtávolabbi ismert galaxis fénye 13,4 milliárd évig utazott, mire a világ egyik legnagyobb teleszkópja színekre bontotta

22273

Érdeklődők gyakran szegezik csillagászoknak a kérdést: meddig lehet ellátni a legmodernebb műszerekkel? Nos, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás révén azt is képesek vagyunk detektálni, hogy miként oszlott el az anyag a fotonok anyagról való lecsatolódásának idején, vagyis kb. 300 000 évvel az ősrobbanást követően. Ha viszont egyedi objektumokkal kapcsolatban akarjuk megválaszolni a kérdést, akkor a legősibb (értsd: legkorábban keletkezett) galaxisokra kell vadásznunk.

Az Univerzum vázlatos idővonala a vöröseltolódás (redshift, felső skála) és az eltelt idő (milliárd évben, alsó skála) függvényében. (Forrás: NASA, ESA, P. Oesch és B. Robertson (University of California, Santa Cruz), & A. Feild (STScI))

Köztudott, hogy a fény véges terjedési sebessége miatt minél távolabbi objektumot figyelünk meg, azzal együtt az időben is visszafelé tekintünk – a kétmillió fényévre lévő Andromeda-galaxist tehát kétmillió évvel ezelőtti állapotában tudjuk megvizsgálni. A múltba tekintés a jóval nagyobb távolságskálákon is megállja a helyét, az átváltás viszont már nem teljesen triviális. Míg egy távoli galaxis fénye eljut hozzánk, az Univerzum tágul, így a fény hozzánk érkezésekor a megfigyelt galaxis már jóval messzebb van, mint amekkora távolságot az eltelt idő sugallna. Éppen ezért az ilyen extrém, ún. kozmológiai skálákon érdemes a hagyományos távolság-mértékegységek helyett az ún. vöröseltolódást alkalmazni.

A fény hullámhosszának eltolódása a tőlünk mért sebességének függvényében. (Forrás: School Physics)

Ez a jellemző azt mutatja meg, hogy (jelen esetben az Univerzum tágulása miatt) a megfigyelt objektum fényének hullámhossza mennyivel növekedett, vagyis tolódott el a vörös szín irányába. Ezt aztán a kozmológiamodell értelmében át lehet váltani valós (avagy jelenlegi) távolságra. A vöröseltolódás nagy előnye, hogy egy jó (azaz nagy jel/zaj arányú) színképből viszonylag egyszerűen megállapítható, hiszen csak egy ismert színképvonal “jobbra” történő eltolódását kell kimérni. Már csak egy megfelelő célobjektumra, infravörös tartományban érzékeny spektrográfra és egy kellően nagy távcsőre van szüksége a kutatónak…

A Keck Observatory egyenként 10 méteres teleszkópokat rejtő ikerkupolái. (Forrás: SiOwl / Wikipedia)

A Linhua Jiang által vezetett kínai-japán kutatói együttműködés például a Hawaiin található tízméteres Keck teleszkópot használta. A célpont a Hubble-űrtávcső által felfedezett GN-z11 volt, amely már 2014 óta a feltételezett legtávolabbi, egyúttal pedig a legidősebb ismert galaxis. Nevében a “z11” is erre utal, (a z-vel jelölt) vöröseltolódását ugyanis korábban 11,09-es értékre becsülték. A Hubble-űrtávcső mérései alapján azonban csak az ún. Lyman-α-letörés eltolódását sikerült kimutatni, amellyel 0,2-es pontossággal volt meghatározható a vöröseltolódás – ez pedig a gyakorlatban több százmillió fényéves bizonytalanságot jelent a galaxis távolságát és korát tekintve.

A GN-z11 galaxis (narancssárgával jelölve, ahogy a Keck teleszkóp látta. (Forrás: Jiang et al.  2020, Nature)

A Keck Observatory MOSFIRE spektrográfja azonban lehetővé tette a nagy felbontású méréseket az infravörös hullámhosszakon is. A kutatók két, alapesetben az UV-tartományon megjelenő emissziós vonalat azonosítottak a GN-z11 színképében: a kétszeresen ionizált szén 190,7 és 190,9 nm-es hullámhosszú vonalai a vöröseltolódás miatt 2280 nm környékén, a közeli infravörösben jelentek meg. Az emissziós vonalak precíz illesztéséből számolt vöröseltolódás z = 10,957 +/- 0,001-nek adódott – vagyis a korábbi értékkel konzisztensen, ám százszor pontosabban sikerült meghatározni a GN-z11 távolságát

A GN-z11 galaxis színképének ominózus részlete: az ionizált szén ultraibolya-hullámhosszú emissziós vonalai az infravörös tartományba tolódtak el. (Forrás: Jiang et al.  2020, Nature)

Ezzel sikerült megerősíteni, hogy valóban a GN-z11 a legtávolabbi, egyben pedig a legidősebb ismert galaxis. Fénye 13,4 milliárd évig utazott, míg elért hozzánk, vagyis mindössze 400 millió évvel az ősrobbanás után már létezett a galaxis. Ez alapján a GN-z11 egyike lehetett az első galaxisoknak, amelyek nem sokkal az Univerzum sötét korszaka után álltak össze. Ugyanakkor a szén és oxigén spektroszkópiai analízis során meghatározott viszonylag magas gyakorisága arra enged következtetni, hogy a GN-z11 galaxist nem pusztán a csillagok első generációja népesíti be. A hidrogénnél és héliumnál nehezebb elemek ugyanis néhány százmillió év alatt csak a nagy tömegű csillagok szupernóvaként való felrobbanásaiból terjedhettek szét a galaxisban.

A GN-z11 galaxis (nagyítva), ahogy a Hubble-űrtávcső látta. A galaxist fiatal, kék csillagok népesítik be, ám a megfigyelt fénye az Univerzum tágulása miatt a vörös színbe tolódik el. (Forrás: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), & G. Illingworth (University of California, Santa Cruz))

A GN-z11 pillanatnyi távolsága kb. 32 milliárd fényév, jelenleg tehát ilyen távolságra “látunk el”, már ami az egyedi objektumokat illeti. A távolságdobogó második fokán némiképp lemaradva a Hubble-űrtávcső és az ALMA rádiótávcső-hálózat révén felfedezett MACS1149-JD1 galaxis áll, amelynek fényúttávolsága már “csak” 13,26 milliárd fényév (z=9,11). Várhatóan azonban a GN-z11 elsősége nem fog sokáig tartani, 2021 őszén ugyanis végre elindul (most már tényleg) az infravörös tartományon érzékeny James Webb űrtávcső, amely várhatóan jelentősen át fogja rajzolni a mostani élmezőnyt.

A JWST jelentősen tovább fogja bővíteni ismereteinket az első galaxisokról. (Forrás: NASA/ESA & A. Feild (STScI))

A GN-z11 galaxisról szóló legújabb eredmények a Nature Astronomy folyóiratban jelentek meg.

Hozzászólás

hozzászólás