کهکشانی ۷۰۰ میلیون سال پس از مِهبانگ

0 0 0 0

توسط آیرین شیوایی , 24 مارس 2014

تصویر ۱: کهکشانها هرقدر از ما دورتر می شوند خطوط طیفی شان بر اثر پدیده داپلِر به طول موجهای بلندتر انتقال پیدا می کند (انتقال به سرخ).
در این تصویر، به ترتیب از پایین به بالا، طول موجهای خطوط جذبی طیف در آزمایشگاه، طیف یک ستاره، یک کهکشان نزدیک، یک کهکشان دور، و یک کهکشان بسیار دور را می بینید. همان طور که می بینید خطوط به سمت طول موجهای سرختر انتقال پیدا کرده اند.

در کیهان هرچه به فواصل دورتر نگاه می کنیم در واقع در زمان نیز به گذشته های دورتر می نگریم. به علت محدود بودن سرعت نور، هرچه کهکشانی دورتر از ما باشد نورش نیز دیرتر به ما می رسد. به طور مثال، نوری که امشب از کهکشان آندرومدا که نزدیکترین کهکشان مارپیچی به راه شیری است، به ما می رسد حدود ۲ میلیون و پانصد هزار سال پیش آندرومدا را ترک کرده است. آندرومدا در گروه کهکشانهای محلی قرار گرفته است و بسیار به ما نزدیک است. منجمان برای پی بردن به آنچه در ابتدای پیدایش کیهان اتفاق افتاده است به کهکشانهای بسیار دورتر نگاه می کنند.

این مقاله به کشف دورترین کهکشان تایید شده می پردازد، کهکشانی که نورش از زمانی حدود ۷۰۰ میلیون سال پس از مِهبانگ به ما رسیده است.

منجمان برای بیان فاصله کهکشانهای بسیار دور از واحدی به نام «انتقال به سرخ» (redshift) استفاده می کنند و آن را با حرف z نشان می دهند. به علت انبساط کیهان، کهکشانهایی که از ما فاصله دارند و در حال دور شدن هستند طول موج تابشی شان به سمت طول موجهای بلندتر و سرختر انتقال پیدا می کند (پدیده دوپلِر). در تصویر شماره ۱ نمونه ای از انتقال به سرخ خطوط جذبی طیف نشان داده شده است.

نسبت اختلاف طول موج رصد شده با طول موج آزمایشگاه به طول موج آزمایشگاه برابر واحد انتقال به سرخ به اضافه یک است. به این ترتیب هرچه یک کهکشان دورتر باشد انتقال به سرخ آن نیز بیشتر خواهد بود. کهکشانهای گروه محلی انتقال به سرخ تقریبا صفر دارند.

دورترین کهکشان های رصد شده و تایید شده انتقال به سرخهای ۷/۰۰۸، ۷/۰۴۵، ۷/۱۰۹، ۷/۲۱۳ و ۷/۲۱۵ دارند. انتقال به سرخ کهکشان جدیدی که در این مقاله کشف آن تایید شده است برابر ۷/۵۱ است.

تصویر ۲: a: تصویر کهکشان در نمای باز در یکی از فیلترهای تلسکوپ هابل. b: تصاویر کهکشان در فیلتر های مختلف. طول موج فیلتر ها به ترتیب از بالا چپ تا پایین راست زیاد می شود. حاصل ترکیب پنج تصویر ردیف اول که در طول موجهای اپتیکی هستند و سه تصویر ردیف دوم در طول موجهای فروسرخ نزدیک، در پایین نشان داده شده است.
c: تابع توزیع احتمال تخمین انتقال به سرخ کهکشان با روش تصویربرداری (منحنی خط تیره) که در حدود ۷/۸ = z قله دارد. انتقال به سرخ به روش طیف سنجی با یک خط نشان داده شده است ( ۷/۵۱ = z).

برای کشف کهکشان های دور ابتدا آنها را در فیلترهای مختلف رصد می کنند. در ابتدای کیهان، مقادیر زیادی هیدروژن خنثی وجود داشته است. اتمهای هیدروژن فوتونهای پرانرژی تر از ۱۳/۶ الکترون ولت را که انرژی جدا شدن الکترون از لایه اول اتم هیدروژن و یونیزه شدن هیدروژن است، جذب می کنند. این انرژی معادل طول موج ۹۱۲ آنگستروم است. به علت جذب شدن این فوتونها، کهکشانهای دور در طول موجهای کوتاه تر از ۹۱۲ آنگستروم نور بسیار بسیار کمی تابش می کنند. از طرفی به علت ابرهای هیدروژنی داخل کهکشان خطوط تابشی اتم هیدروژن نیز جذب می شوند. این خطوط طول موجهای کوتاه تر از خط نشری لایمَن-آلفا* دارند.

برای کهکشانی که در دوردستها قرار گرفته است این خطوط جذب شده در طول موجهای بلندتر، در حدود فروسرخ، دیده می شوند. به این ترتیب اگر در مجموعه ای از فیلترها به کهکشان نگاه کنیم و کهکشان مورد نظر در یک فیلتر دیده نشود اما در فیلتر های بعدی (طول موج بلندتر) دیده شود، به احتمال زیاد شاهد پدیده جذب شدن فوتونهای پر انرژی هستیم که شکست لایمن (Lyman Break) نام دارد. از روی اینکه شکست لایمن بین کدام فیلترها (کدام طول موج) دیده می شود می توانیم حدودا متوجه بشویم که انتقال به سرخ کهکشان چقدر بوده و در چه فاصله ای قرار دارد. تصویربرداری از کهکشان در فیلترهای مختلف از روشهای انتخاب کاندیدهای کهکشانهای دور است. به تصویر شماره ۲ نگاه کنید، ده تصویر مربعی کوچک تصاویر گرفته شده از کهکشان مورد نظر در فیلترهای مختلف است. پنج تصویر بالا فیلترهای اپتیکی هستند و در هیچ کدام از آنها نشانی از کهکشان دیده نمی شود تا فیلتر فروسرخ Y که کهکشان در آن ثبت می شود. این تصاویر نشان می دهند که به احتمال زیاد انتقال به سرخ این کهکشان بالاتر از ۷ است.

تصویر ۳: طیف کهکشان در فروسرخ نزدیک. خط قرمز قله خط نشری ثبت شده در طیف را نشان می دهد که مربوط به خط لایمن-آلفایی است که در انتقال به سرخ ۷/۵۰۷۸ = z با خطای ۰/۰۰۰۴، به طول موج بلندتر منتقل شده است. همه افت و خیزهای دیگر در طیف، حاصل خطوط نشری جو زمین در پس زمینه هستند که طیف آنها با منحنی خاکستری در پایین نشان داده شده است.

زمانی که کاندیدهای کهکشانهای دور با روش تصویربرداری در فیلترهای مختلف انتخاب شدند، برای آنکه عدد انتقال به سرخ و فاصله آنها را بتوانیم به قطعیت مشخص کنیم به سراغ طیف سنجی می رویم. در طیف سنجی خطوط نشری و جذبی با دقت بالایی دیده می شوند و می توان با قطعیت میزان انتقال به سرخ یک خط را پیدا کرد و فاصله کهکشان را تخمین زد.

در این مقاله، نویسندگان از ۴۳ کهکشانی که با روش تصویربرداری کاندید شده بودند طیف سنجی کردند و موفق شدند در طیف یکی از کهکشانها یک خط نشری در طول موج ۱/۰۳۴۳ میکرومتر که به احتمال زیاد خط لایمن-آلفا است، ثبت کنند (تصویر شماره ۳). به این ترتیب با احتساب جابه جا شدن خط لایمن-آلفا به طول موجهای بلندتر این کهکشان در انتقال به سرخی برابر ۷/۵۱ قرار می گیرد، در زمانی فقط حدود ۷۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ.

تصویر ۴: مقایسه مدلهای توزیع انرژی طیفی منطبق شده به داده های رصدی برای دو کهکشان در فاصله دور و نزدیک ( ۷/۵۱ = z با رنگ آبی و ۱/۷۸ = z با رنگ قرمز). نقاط سبز داده های رصد شده هستند و فلشهای سبز حد بالای توان آشکارسازی ابزار را در زمانی که کهکشان دیده نشده است نشان می دهند.
منحنی کهکشان ۷/۵۱ = z (آبی) مطابقت بهتری با داده های رصدی دارد.

احتمال ضعیفی وجود دارد که خط نشری رصد شده خط OII باشد که در آن صورت انتقال به سرخ کهکشان ۱/۷۸ خواهد بود، یعنی بسیار نزدیک تر به ما. برای اطمینان حاصل کردن از اینکه خط رصد شده لایمن-آلفا باشد و نه OII، منجمان با کمک تصاویر کهکشان در فیلترهای مختلف به توزیع انرژی طیفی کهکشان در بازه وسیعی از طول موجها نگاه کردند. مقایسه توزیع انرژی دو کهکشان نزدیک ( ۱/۷۸ = z) و دور (۷/۵۱ = z) را در تصویر شماره ۴ می بینید. نقاط سبز شار انرژی رصد شده هستند. مقایسه مدلها با داده های رصدی نشان می دهد که احتمال اینکه این کهکشان انتقال به سرخ ۷/۵۱ داشته باشد بسیار بیشتر است. به این ترتیب این کهکشان یکی از دورترین کهکشانهایی است که تا کنون رصد شده و با طیف سنجی تایید شده است.