Самый мощный телескоп в истории никогда не увидит самую дальнюю галактику.
«Ни расстояние, ни время не могут уменьшить дружбу между теми, кто полностью убежден в ценности друг друга». - Роберт Саути
Со всем тем, что сделал космический телескоп Хаббл - включая то, что он смотрел на пустой участок неба в течение нескольких недель - вы можете подумать, что нет предела тому, как далеко он может видеть. В конце концов, то, что кажется темным, пустым пространством, освещено светом тысяч и тысяч галактик, что приводит к выводу, что их сотни миллиардов, охватывающих все небо.
На самом деле, некоторые из этих галактик настолько тусклые и далекие, что Хаббл едва их видит. Но что может вас удивить, так это то, что есть две причины, по которым Хаббл ограничен в том, что вы можете видеть, одна причина очевидна, а другая гораздо более тонкая.
- Очевидно: у Хаббла «только» зеркало диаметром 2,4 метра, а это означает, что он может собрать столько света - столько фотонов - , сколько это зеркало может собрать. Даже за 23 дня, самая длинная выдержка из когда-либо сделанных регионов, которая позволяет видеть только очень яркие галактики на самых больших расстояниях.
- Тонко: чем дальше мы смотрим во Вселенную, тем краснее будет свет любого объекта.
На какое-то время этот второй пункт действительно хорош!
Видите ли, когда дело доходит до самых молодых, самых горячих и ярких звезд, большая часть их света - это не то, что люди воспринимают как видимое: на самом деле это ультрафиолет. И по мере того, как Вселенная расширяется, а галактики отдаляются друг от друга, ткань пространства расширяется вместе с ней.
Это означает, что фотоны, отдельные кванты света, которые существуют в этом пространстве-времени - испускаемые далекими звездами и галактиками на пути к нашим глазам - также смещаются в красную сторону, их длины волн растягиваются из-за расширения Вселенной сам.
Когда мы видим яркую далекую красную галактику, мы можем оценить ее красное смещение, взглянув на относительную яркость цветов в синем, зеленом, красном и (ближнем) инфракрасном свете, но это только хорошо для оценки. Если вы хотите узнать его истинное красное смещение - и, следовательно, его расстояние, используя закон Хаббла - , вам нужно измерить что-то более точное.
К счастью, физика атомов и, в частности, атомных переходов одинакова во всей Вселенной. Если вы можете измерить спектр эмиссионных (или абсорбционных, в зависимости от типа галактики) линий, исходящих от объекта, и идентифицировать присутствующие элементы, вы можете очень просто рассчитать:
- его красное смещение,
- его расстояние,
- и сколько лет было Вселенной, когда излучался этот свет.
Итак, что касается атомных переходов, самые сильные, наиболее легко видимые линии в любой звезде или галактике исходят от водорода, переходя либо в ультрафиолетовое (серия Лаймана), либо в видимое (серия Бальмера), или инфракрасный (серия Paschen).
Но эти линии - и их длины волн - рассчитываются в системе покоя этих галактик. По мере расширения Вселенной эти длины волн сильно смещаются в красную сторону. И самый сильный и наиболее легко идентифицируемый переход, переход Лаймана-альфа, который обычно происходит при 121,567 нанометрах, может смещаться невероятно далеко.
Формула для какой будет наблюдаемая длина волны? Возьмите длину волны остаточного кадра и умножьте ее на (1 + z), где z это красное смещение объекта. Выше линия Лаймана-альфа с длиной волны почти 540 нм зеленого цвета дает нам красное смещение вправо около 3,4, или расстояние в 22 миллиарда световых лет, с ее светом, испускаемым, когда Вселенной было всего 1,9 миллиарда лет, или 13% его текущего возраста.
Теперь, когда вы посмотрите на новейшую и лучшую камеру на Хаббле, широкоугольную камеру 3 (WFC3), средние и узкие фильтры могут пойти довольно далеко: до максимума почти 1700 нм!
Таким образом, вы могли бы подумать, исходя из этого, что теоретически мы можем видеть все вплоть до красного смещения 12 или 13, и, следовательно, до тех времен, когда Вселенная была всего на 3% своей текущей. возраст!
К сожалению, это было бы основано на предположении, что мы использовали эти инфракрасные фильтры, когда делали эти глубокие наблюдения: мы этого не сделали. Мы использовали полосы с широким полем (чтобы собрать как можно больше света), а самые длинные волны, к которым мы подошли, составляли около 850 (около 900) нанометров.
На самом деле, когда мы погружаемся как можно глубже, даже несмотря на то, что мы не можем получить объекты с таким же разрешением или тусклостью, как у Хаббла, нам часто лучше использовать специальные инфракрасные космические телескопы, например Спитцер!
Затем нам необходимо подтвердить спектры этих кандидатов последующими наблюдениями с наземных телескопов класса 8-10 метров. Долгое время казалось, что рекордсменом является галактика UDFj-39546284 с поразительным красным смещением 11,9! Но, как вы могли догадаться, такая галактика будет совершенно невидима для Хаббла. Как показали последующие наблюдения, были ложные эмиссионные линии от помехи с малым красным смещением, которые искажали результаты.
Но с сегодняшнего дня у нас есть новый подтвержденный рекордсмен!
Поздоровайтесь с галактикой EGS-zs8-1 с новым рекордным красным смещением 7.7, самым высоким подтвержденным красным смещением для такой галактики. галактика. С такими числами Вселенной было всего 660 миллионов лет, когда излучался свет из этой галактики, и в настоящее время она находится на расстоянии 29 миллиардов световых лет, космический рекордсмен на данный момент для самой далекой из когда-либо обнаруженных галактик.
Но подобная галактика действительно исследует предел возможностей Хаббла. Ряд Лаймана не меняется, поэтому, даже если мы сможем получить другие линии в ряду (около предела Лаймана), мы не превысим красное смещение 8 или 9 с Хабблом. Жаль, потому что могут быть галактики с красным смещением 15 или 20!
Но надежда есть.
В то время как Хаббл изо всех сил пытается добраться до длин волн до одного микрона, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) доберется до 30 микрон с лучшей чувствительностью, чем все, что было раньше, с лучшее разрешение и светосила примерно в шесть раз больше, чем у Хаббла!
Если повезет, мы впервые сможем обнаружить не то, какие галактики самые далекие в пределах возможностей наших современных телескопов, а найти самые далекие галактики, которые есть во Вселенной предлагать. Каким бы великим ни был Хаббл, он имеет свои пределы по самой своей природе. Но пока не появится сверхдлинноволновая радиоастрономия, с помощью JWST мы будем находить самые далекие галактики и сможем начать это делать всего за три года.
Не могу дождаться. Наконец-то мы готовы приоткрыть последнюю завесу неизвестного в видимой Вселенной. Пора.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!