Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 17 – vyšlo 2. června, ročník 21 (2023)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Byly galaxie v raném vesmíru jiné?

Josef Čada

V Jihoafrické republice, sedm hodin jízdy od Kapského města, se uprostřed planin nachází radioteleskopické pole HERAHERA (radioteleskopy) – radioteleskopické pole v jižní Africe, které se spolu s polem MeerKAT stane součástí budovaného pole SKA. HERA je zkratka z anglického „Hydrogen Epoch of Reionization Array“. HERA pracuje v frekvenčním rozsahu 50 až 250 MHz. Hlavním cílem bude pozorování období reionizace vesmírné látky způsobené svitem prvních hvězd ve vesmíru. Pole HERA se nachází v národním parku MeerKAT. Počet antén se rozrostl z původních 37 (2016) na 350 (2020). (Hydrogen Epoch of Reioniztion Array). Jedná se o radioteleskopy určené k pozorování velkých struktur v době reionizaceReionizace – období po éře temného věku, kdy se ve vesmíru opět objevuje slabě ionizované plazma. Neutrální plyn je ionizován světlem prvních hvězd. Ionizovaný plyn polarizuje reliktní záření, což umožňuje éru opětovné ionizace vesmírné látky relativně dobře datovat na období zhruba 550 milionů roků po vzniku vesmíru. a před ní. V dnešním bulletinu si přiblížíme tento unikátní přístroj, zaměříme se na jeho analýzy a dosavadní výsledky. Také se seznámíme s výsledky, které plynou z pozorování raných galaxií prováděných dalekohledem Jamese WebbaJWST – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru..

Noční obloha nad radioteleskopickým polem HERA

Pohled na noční oblohu nad radioteleskopickým polem HERA. Vzdálený vesmír je možné pozorovat jen od dubna do září, kdy je Mléčná dráha pod obzorem a neruší. Zdroj: Dara Sorer, PhysOrg.

Temný věk – období mezi vznikem atomárních obalů na konci velkého třesku (400 000 let po vzniku vesmíru) a reionizací plynu v důsledku vzniku prvních megahvězd (550 milionů let po vzniku vesmíru). V tomto období látka ve vesmíru nezářila a byla temná.

Reionizace – období po éře temného věku, kdy se ve vesmíru opět objevuje slabě ionizované plazma. Neutrální plyn je ionizován světlem prvních hvězd. Ionizovaný plyn polarizuje reliktní záření, což umožňuje éru opětovné ionizace vesmírné látky relativně dobře datovat na období zhruba 550 milionů roků po vzniku vesmíru.

HERA (radioteleskopy) – radioteleskopické pole v jižní Africe, které se spolu s polem MeerKAT stane součástí budovaného pole SKA. HERA je zkratka z anglického „Hydrogen Epoch of Reionization Array“. HERA pracuje v frekvenčním rozsahu 50 až 250 MHz. Hlavním cílem bude pozorování období reionizace vesmírné látky způsobené svitem prvních hvězd ve vesmíru. Pole HERA se nachází v národním parku MeerKAT. Počet antén se rozrostl z původních 37 (2016) na 350 (2020).

JWST – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru.

Reionizace

V kosmologii se jako reionizaceReionizace – období po éře temného věku, kdy se ve vesmíru opět objevuje slabě ionizované plazma. Neutrální plyn je ionizován světlem prvních hvězd. Ionizovaný plyn polarizuje reliktní záření, což umožňuje éru opětovné ionizace vesmírné látky relativně dobře datovat na období zhruba 550 milionů roků po vzniku vesmíru. označuje proces, při kterém neutrální plyn ve vesmíru přechází na ionizovanou látku, v níž jsou elektrony odděleny od atomů a molekul. To se děje vlivem intenzivního záření hvězd a kvazarůKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty.. Proces reionizace látky ve vesmíru navázal na tzv. temný věkTemný věk – období mezi vznikem atomárních obalů na konci velkého třesku (400 000 let po vzniku vesmíru) a reionizací plynu v důsledku vzniku prvních megahvězd (550 milionů let po vzniku vesmíru). V tomto období látka ve vesmíru nezářila a byla temná.. Na obrázku je znázorněna časová osa vesmíru. Můžeme si povšimnout, že proces reionizace začal zhruba 400 milionů let po velkém třesku a podle dat ze sondy PlanckPlanck – mikrovlnná observatoř evropské kosmické agentury ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Byla určena k výzkumu fluktuací reliktního záření a monitorování vesmíru v mikrovlnné oblasti. Měla úhlovou rozlišovací schopnost 5′ a teplotní citlivost 2 μK. Oblohu snímkovala v devíti frekvenčních pásmech od 30 do 857 GHz (0,2 až 10 mm). Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,9×1,5 m. Teplotu vysokofrekvenční části ohniska se podařilo po dobu dvou let udržet na extrémně nízké hodnotě 0,1 K. Činnost sondy byla ukončena v říjnu 2013. kulminuje v období 550 milionů roků. Na reionizaci se podílí formování kvazarůKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty. a galaxiíGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry. a samozřejmě hvězd, které jsou jejich součástí.

V raných fázích vesmíru se galaxie začaly formovat z hustých oblastí plynu a hmoty, které se shlukovaly vlivem gravitaceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. Před reionizací byly galaxie obklopeny neutrálním plynem a absorpce světla způsobovala, že byly obtížně viditelné. Galaxie obsahují jasné a horké hvězdy, které produkují intenzivní ultrafialové zářeníUltrafialové záření – elektromagnetické záření s kratší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 1 nm do 400 nm. Ultrafialové záření objevil v roce 1801 Johann Wilhelm Ritter. Značí se UV z anglického UltraViolet, rozděluje se na extrémní XUV (EUV) (1÷31 nm), daleké VUV (FUV) (10÷200 nm), hluboké DUV (pod 300 nm), krátkovlnné (pod 280 nm), středněvlnné UVB (280÷320 nm), dlouhovlnné UVA (320÷400 nm) a blízké NUV (200÷400 nm)., to je dostatečně energetické na to, aby odstranilo elektrony z atomů a molekul neutrálního plynu, a tím ho ionizovalo. Z plynu se stává slabě ionizované plazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., které obsahuje volné elektrony a ionty. Podobně působí i kvazaryKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty., které uvolňují obrovské množství energie ve formě světla a záření. Toto záření je také dostatečně intenzivní na to, aby ionizovalo okolní neutrální plyn.

První hvězdy a reionizace, časová linka vesmíru. Zdroj: NASA, WMAP.

HERA a pozorování prvních galaxií

HERA je pole 350 radioteleskopů, které je zaměřeno na odhalování charakteristik prvních zdrojů světla ve vesmíru, tj. galaxií a hvězd, a pochopení jejich vzniku a vývoje. Cílem projektu, který by měl odstartovat letos na podzim, je sestavit 3D mapu ionizovaných a neutrálních bublin vodíku a studovat jejich vývoj v období přibližně od 200 milionů let do 1 miliardy let od vzniku vesmíru. Pořízená mapa by měla poskytnout informace o rozdílech mezi ranými hvězdami a galaxiemi a ukázat, jak se vesmír jako celek vyvíjel. Podle vědeckého pracovníka Joshuy Dillona z Kalifornské univerzity v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. se pořízená mapa stane revoluční technikou pro kosmologii a poskytne mnoho dosud chybějících informací. Nicméně pořízení kompletní 3D mapy většiny svítící látky ve vesmíru je cílem pro příštích 50 nebo i více let.

HERA se zaměřuje na detekci záření neutrálního vodíku, který vyplňoval prostor mezi ranými hvězdami a galaxiemi. Cílem je určit, kdy tento vodík přestal vysílat nebo absorbovat rádiové vlny a stal se ionizovaným. Ionizovaný vodík je tvořen samostatným protonem a elektronem, a tyto volné částice v čárovém spektru nezáří, neboť netvoří vázaný stav. Vysílají pouze spojité spektrum způsobené změnami jejich rychlosti. Pozoruhodné je, že tým HERA zatím nenalezl bubliny ionizovaného vodíku uvnitř chladného vodíku v období temného věku, což vylučuje některé teorie o vývoji hvězd v raném vesmíru. Data naznačují, že nejstarší hvězdy, které se objevily přibližně 200 milionů let (viz AB 18/2018) po vzniku vesmíru, obsahovaly jen málo prvků kromě vodíku a helia. To se liší od složení současných hvězd, které obsahují řadu těžších prvků nazývaných kovy (astronomové nazývají kovem jakýkoli prvek těžší než helium). Tato zjištění jsou v souladu se současným modelem vzniku ostatních prvků ve hvězdách, při hvězdných explozích a při slučování neutronových hvězd.

Jeden z vedoucích týmu, Aaron Parsons, zdůrazňuje, že rané galaxie musely být značně odlišné od dnešních galaxií, protože detekujeme signály odlišné od těch současných. Zejména se předpokládá, že se musely měnit jejich rentgenové charakteristiky. Nová data odpovídají nejpopulárnějším teoriím o formování hvězd a galaxií po velkém třesku a vylučují jiné alternativy, například studenou reionizaci. Termín „studená reionizace“ se obvykle používá pro popis reionizačního procesu, který je způsoben převážně slabými zdroji ultrafialového záření, jako jsou menší galaxie s nízkou mírou tvorby hvězd. Tento proces by se měl odehrávat v pozdější fázi vývoje vesmíru, kdy už většina plynu byla reionizována během „horké reionizace“ silnými zdroji záření, jako jsou jasnější galaxie a kvazary.

Podle Joshuy Dillona byl plyn mezi galaxiemi pravděpodobně zahříván rentgenovým zářením ještě před vrcholným obdobím reionizaceReionizace – období po éře temného věku, kdy se ve vesmíru opět objevuje slabě ionizované plazma. Neutrální plyn je ionizován světlem prvních hvězd. Ionizovaný plyn polarizuje reliktní záření, což umožňuje éru opětovné ionizace vesmírné látky relativně dobře datovat na období zhruba 550 milionů roků po vzniku vesmíru. způsobené svitem hvězd, kvazarů a galaxií. Toto záření pravděpodobně pocházelo z binárních systémů, v nichž přetékala látka z hvězdy na druhého člena soustavy – černou díru. Výsledky naznačují, že tyto hvězdy musely mít velmi nízkou metalicitu, tj. obsah jiných prvků než vodík a helium, což je v souladu s obdobím ve vesmíru před vznikem většiny ostatních prvků.

Radioteleskopické pole HERA. Zdroj: ASU. Fotografie: Kathryn Rosie.

Pozorování dalekohledu Jamese Webba

Čtyři galaxie pozorované dalekohledem Jamese Webba (JWSTJWST – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru.), jsou pozorovány tak, jak vypadaly 350 milionů let po vzniku vesmíru, tudíž ještě v temném věkuTemný věk – období mezi vznikem atomárních obalů na konci velkého třesku (400 000 let po vzniku vesmíru) a reionizací plynu v důsledku vzniku prvních megahvězd (550 milionů let po vzniku vesmíru). V tomto období látka ve vesmíru nezářila a byla temná. před reionizacíReionizace – období po éře temného věku, kdy se ve vesmíru opět objevuje slabě ionizované plazma. Neutrální plyn je ionizován světlem prvních hvězd. Ionizovaný plyn polarizuje reliktní záření, což umožňuje éru opětovné ionizace vesmírné látky relativně dobře datovat na období zhruba 550 milionů roků po vzniku vesmíru. . Astronomové potvrdili, že světlo z těchto galaxií putuje na Zemi přes 13,4 miliardy let. Tento objev je důležitý, protože existuje možnost, že by mohly být některé blízké galaxie zaměněny za ty velmi vzdálené. Emma Curtis-Lake, astronomka z Hertfordshirské univerzity, uvedla, že pořízené spektrum potvrdilo, že galaxie jsou skutečně na periferii pozorovatelného vesmíru a některé jsou dokonce ve větší vzdálenosti, než umožnila pozorování Hubblova dalekohledu.

JWST je schopen studovat raný vesmír pomocí světla s extrémním červeným posuvem, které cestovalo po dlouhou dobu a jehož vlnová délka se rozpínáním vesmíru protáhla. Je to možné jedině díky tomu, že dalekohled Jamese Webba pracuje dominantně v infračerveném oboru. Vesmírný dalekohled dosud identifikoval několik galaxií s velkým červeným posuvem, ale jejich pozorování musí být ještě potvrzena spektroskopicky. Spektroskopie umožňuje rozlišit mezi ranými galaxiemi a blízkými galaxiemi svítícími v infračerveném oboru pomoci posuvu spektrálních čar, který je pro vzdálené objekty charakteristický. Rané galaxie obsahují převážně vodík a helium a postrádají těžší prvky, které se vytvářejí až ve hvězdách jadernou fúzí a následně jsou rozmetány do okolí v závěrečné fázi vývoje hmotných hvězd, které explodují jako supernovy.

Analýza dat získaných z přístrojů NIRCam a NIRSpec umístěných na Webbově dalekohledu potvrdila extrémní červený posuv spektrálních čar čtyř galaxií označených jako JADES-GS-z10–0, JADES-GS-z11–0, JADES-GS-z12–0 a JADES-GS-z13–0, které jsou pozorovány tak, jak vypadaly v době, kdy byl vesmír starý pouhých 300 až 500 milionů let. Pozorování byla provedena v rámci prvního kola pozorování přehlídky JADES (JWST Advanced Deep Extragalactit Survey), který se zaměřil na malou oblast oblohy známou jako ultrahluboké pole, kterou Hubblův dalekohled zkoumal dvacet let. Tato oblast obsahuje kolem 100 000 galaxií zachycených v různých fázích vývoje.

Galaktičtí pulci v různých vývojových fázích. Snímky z JWST jsou v nepravých barvách a vznikly složením snímků tří vlnových délek. Zdroj: JWST, UCLA, T. Treu.

Jak vypadaly galaxie v období 350 milionů let?

Když se podíváme na velmi vzdálené galaxie, uvidíme úplně jiný obraz. Mnohé z těchto galaxií bývají malé a shlukovité, často s velkým množstvím hvězdotvorných procesů probíhajících v hustých chuchvalcích látky. V astronomii je velkou otevřenou otázkou jak se tyto kupovité galaxie vyvíjejí a jak se v průběhu času mění jejich struktura. Dalekohled Jamese Webba pomáhá astronomům zjistit detaily. Epoše reionizace vědci rozumějí jen v hrubých obrysech. Až dosud neměli k dispozici extrémně citlivé infračervené přístroje potřebné k pozorování tehdy existujících galaxií. Vědci se domnívají, že někdy během první miliardy let záření vyzařované prvními galaxiemi a možná i okolím prvních černých děr způsobilo, že některé atomy vodíku ztratily elektrony a prostředí se ionizovalo. Ionizace je natolik malá, že vesmír je průhledný a světlo se pohybuje volně, což nám umožňuje každou noc pozorovat zářivý baldachýn hvězd a galaxií. A jak budou vědci nadále pracovat s nástroji, jako je dalekohled Jamese Webba, radioteleskop HERA a dalšími, tak se nám tajemství raného vesmíru poodkryje určitě mnohem více.

Odkazy