Jaki jest najdalszy obiekt we wszechświecie?

Patrzysz nocą w niebo i zastanawiasz się, jak daleko sięga wzrok teleskopów? Z tego artykułu dowiesz się, jaki jest najdalszy znany obiekt we Wszechświecie i jak w ogóle da się taką odległość zmierzyć. Poznasz też kilka niezwykłych galaktyk, które biją rekordy kosmicznej „odległości od domu”.

Co właściwie znaczy „najdalszy obiekt we Wszechświecie”?

Na pierwszy rzut oka pytanie wydaje się proste, ale astronomowie od razu dodają kilka „ale”. Gdy mówimy o najdalszym obiekcie, możesz mieć na myśli coś innego niż fizyk obserwujący dane z teleskopu. Ty często pytasz: „Ile lat świetlnych stąd?”, a naukowcy myślą jeszcze o przesunięciu ku czerwieni, rozszerzaniu się przestrzeni i wieku Wszechświata.

W praktyce najczęściej chodzi o galaktyki widziane takimi, jakie były krótko po Wielkim Wybuchu. Światło szło do nas ponad 13 miliardów lat, a po drodze przestrzeń się rozszerzała. Dlatego odległość, jaką to światło przebyło, różni się od dzisiejszej „odległości właściwej”, o której piszą kosmologowie. W popularnych opisach najczęściej podaje się właśnie liczbę w rodzaju 13,3–13,4 miliarda lat świetlnych, bo jest ona najłatwiejsza do wyobrażenia.

Czym jest przesunięcie ku czerwieni?

Żeby w ogóle ogłosić, że jakaś galaktyka jest ekstremalnie daleko, naukowcy mierzą jej przesunięcie ku czerwieni, czyli tzw. redshift oznaczany literą z. Światło odległych obiektów rozciąga się w trakcie podróży, bo sama przestrzeń się rozszerza. Linia w widmie, która w laboratorium wypada w zieleni, z odległej galaktyki może trafić już w podczerwień.

Im większa wartość z, tym galaktyka jest dalej i tym młodszy Wszechświat widzimy w chwili, gdy wysyłała ona światło. Dla rekordzistów z ostatnich lat typowe są wartości z > 10, co znaczy, że widzimy je z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie kilkaset milionów lat. To są naprawdę pierwsze pokolenia galaktyk, które zaczęły rozjaśniać kosmiczną ciemność po tzw. Wiekach Ciemnych.

Jak soczewkowanie grawitacyjne pomaga sięgnąć najdalej?

Bez dodatkowych sztuczek nawet największe teleskopy, w tym Kosmiczny Teleskop Hubble’a, nie sięgnęłyby tak daleko. Jedną z najciekawszych „pomocy naukowych” jest tutaj soczewkowanie grawitacyjne. To efekt przewidziany przez Alberta Einsteina, który pokazał, że masa zakrzywia tor światła. W silnym polu grawitacyjnym promień zmienia swój bieg, jakby przechodził przez ogromną soczewkę ze szkła.

Gdy między nami a bardzo odległą galaktyką znajdzie się duża gromada galaktyk, jej masa zakrzywia czasoprzestrzeń. Światło obiektu położonego jeszcze dalej ulega ugięciu i może skupić się w naszym kierunku. Wtedy na zdjęciach pojawiają się charakterystyczne łuki albo pojaśnienia, które są w rzeczywistości powiększonym obrazem jeszcze dalszego źródła.

Rola gromad galaktyk

Do takich naturalnych soczewek należy gromada Abell 2218, znajdująca się w konstelacji Smoka, około 2,1 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Tę gromadę wielokrotnie fotografował teleskop Hubble’a, bo jej masa działa jak potężne „szkło powiększające”. Dzięki temu w jej tle odsłaniają się obiekty, których bez jej pomocy w ogóle byśmy nie widzieli.

Abell 2218 to nie tylko kosmiczna lupa. Obserwacje pokazały, że w tak gęstej gromadzie znajduje się zaskakująco mało wodoru atomowego. Tylko jeden obiekt w tej gromadzie ma duże zasoby tego pierwiastka, choć wodór jest najpowszechniejszy we Wszechświecie i w najprostszej postaci składa się z jednego protonu i jednego elektronu. To sugeruje, że galaktyki w gęstych gromadach, takich jak Abell 2218, zużywają lub tracą swój gaz znacznie szybciej niż galaktyki w rzadkich grupach, np. w naszej Grupie Lokalnej.

Soczewkowanie grawitacyjne sprawia, że gromady takie jak Abell 2218 ujawniają galaktyki oddalone o ponad 13 miliardów lat świetlnych, które bez tej kosmicznej lupy pozostałyby niewidoczne.

Dlaczego wodór jest tak ważny dla astronomów?

Wodór to paliwo dla gwiazd i podstawowy budulec materii widzialnej. W rejonach, gdzie jest go dużo, mogą powstawać nowe gwiazdy, a ich światło ionizuje otaczający gaz. W odpowiednich temperaturach i oświetleniu wodór emituje charakterystyczne linie widmowe, które łatwo rozpoznać w spektroskopie. Dzięki nim astronomowie śledzą, gdzie w galaktykach rodzą się nowe pokolenia gwiazd.

Silny niedobór wodoru atomowego w Abell 2218 może więc oznaczać, że galaktyki w tej gromadzie w przeszłości intensywnie tworzyły gwiazdy lub traciły gaz pod wpływem oddziaływań z gorącą materią międzygalaktyczną. Skoro obserwujemy, że takie galaktyki ewoluują szybciej niż te w spokojniejszych środowiskach, gromady tego typu stają się naturalnym laboratorium do badań nad ewolucją galaktyk.

Jak daleko sięga najdalszy zaobserwowany obiekt?

Gdy astronomowie wykorzystali soczewkowanie grawitacyjne w Abell 2218, udało się zarejestrować bardzo słaby obiekt, którego światło leciało do nas około 13,4 miliarda lat świetlnych. To jeden z rekordów odległości, o jakich wspomina się w literaturze. Patrząc na taki obiekt, widzimy Wszechświat z bardzo wczesnego okresu, gdy miał mniej niż miliard lat.

Rekordowe odległości nie są jednak „wieczne”. Co kilka lat nowe przeglądy nieba, lepsze detektory lub nowe teleskopy biją poprzednie osiągnięcia. W praktyce mówimy więc często nie o jednym najdalszym obiekcie, ale o całej grupie galaktyk o podobnym przesunięciu ku czerwieni, które leżą tuż obok siebie w rankingu kosmicznych rekordzistów.

Jak mierzy się tak duże odległości?

Przy bardzo dużych odległościach nie mierzy się ich w sposób bezpośredni, jak w geodezji czy nawet jak dla pobliskich gwiazd. Zamiast tego astronomowie analizują widmo galaktyki, szukają charakterystycznych linii, np. od wodoru, i sprawdzają, jak mocno przesunęły się one w stronę czerwieni. Z wartości z wylicza się czas podróży światła i przy wykorzystaniu modelu kosmologicznego szacuje aktualną odległość.

Od pewnej granicy klasyczne pomiary, tzw. spektroskopowe, robią się bardzo trudne, bo obiekty są ekstremalnie słabe. Wtedy naukowcy używają metod fotometrycznych: porównują jasność w wielu filtrach i dopasowują model do obserwowanego rozkładu. Taki wynik jest mniej pewny, ale pozwala wskazać kandydatów na rekordzistów, których szczegóły bada się później lepszym sprzętem.

Kim jest UDFj-39546284 i dlaczego wzbudził tyle emocji?

Wśród takich kandydatów szczególną sławę zdobył obiekt UDFj-39546284. Odkrył go Kosmiczny Teleskop Hubble’a w trakcie tzw. ultragłębokiego przeglądu nieba w rejonie gwiazdozbioru Pieca. W tych obserwacjach Hubble przez wiele dni patrzył w pozornie „pusty” fragment nieba, zbierając fotony z najdalszych i najciemniejszych galaktyk.

Początkowo oszacowano, że przesunięcie ku czerwieni tej galaktyki wynosi około z = 10,3. Dalsza analiza, opublikowana przez zespoły astronomów kilka lat później, podniosła to oszacowanie do z = 11,9. Taki wynik odpowiada odległości rzędu 13,3 miliarda lat świetlnych. To znaczy, że widzimy galaktykę taką, jaka była zaledwie około 380 milionów lat po Wielkim Wybuchu, przy wieku Wszechświata ocenianym na 13,8 miliarda lat.

Jak wygląda tak młoda galaktyka?

UDFj-39546284 jest mniej więcej sto razy mniejsza niż Droga Mleczna. To typowy obraz wczesnych galaktyk: niewielkie, kompaktowe obiekty, w których intensywnie rodzą się gwiazdy. Takie systemy uważa się za jedne z pierwszych galaktyk, które rozjaśniły Wszechświat po kosmicznych Wiekach Ciemnych i zaczęły jonizować otaczający gaz.

Światło z takich obiektów jest bardzo zniekształcone przez ekspansję przestrzeni. Znaczna część energii trafia już do zakresu podczerwieni, dlatego zwykłe teleskopy optyczne nie radzą sobie z ich obserwacją. Hubble z zestawem specjalnych detektorów był w stanie tylko „złapać” kilka punktów jasności, na podstawie których zbudowano pierwszy obraz tej galaktyki.

Dlaczego odległość UDFj-39546284 nie jest pewna?

W przypadku UDFj-39546284 pojawiła się ciekawa alternatywa. Część badaczy zwróciła uwagę, że tak nietypowy rozkład jasności może też pochodzić z obiektu bliższego, o przesunięciu z między 2 a 3. Wtedy nie byłaby to ekstremalnie odległa galaktyka, lecz zupełnie nowy typ systemu z ekstremalnymi liniami spektralnymi, silnie zdominowanymi przez emisję konkretnych pierwiastków.

Bez pełnego widma nie da się jednoznacznie rozstrzygnąć, która z interpretacji jest prawidłowa. Dlatego astronomowie czekali na start Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, planowany na rok 2018. Webb – z dużo większym lustrem i bardzo czułymi instrumentami w podczerwieni – miał zbadać takie kandydatki jak UDFj-39546284 i wreszcie „zobaczyć” całe widmo, a nie tylko kilka punktów jasności.

Galaktyka UDFj-39546284 może być zarówno jedną z najdalszych znanych galaktyk, jak i zupełnie nowym typem obiektu o ekstremalnych liniach spektralnych – obie interpretacje mieszczą się w danych z Hubble’a.

Jakie wyzwania stoją przed pomiarem tak odległych obiektów?

Im dalej sięgamy, tym więcej problemów technicznych pojawia się po drodze. Światło jest coraz słabsze, przesunięte w stronę podczerwieni i łatwo ginie w szumie detektorów. Na takie obserwacje często przeznacza się dziesiątki godzin czasu teleskopu, a i tak otrzymuje się zaledwie kilka pikseli informacji z jednej galaktyki.

Do tego dochodzi niepewność modeli. Zależność między przesunięciem ku czerwieni a odległością zależy od parametrów kosmologicznych, takich jak tempo ekspansji czy zawartość ciemnej energii. Niewielkie zmiany w przyjętych wartościach przekładają się na różnice rzędu setek milionów lat świetlnych w końcowym wyniku.

Jakie techniki wykorzystują dziś astronomowie?

Żeby lepiej zrozumieć, jak „poluje się” na najdalsze galaktyki, warto spojrzeć na kilka używanych technik. Każda z nich ma swoje zastosowanie i ograniczenia, a razem tworzą zestaw narzędzi, który pozwala zbliżyć się do pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata:

• długoczasowe ekspozycje w wąskich fragmentach nieba, jak ultragłębokie pola Hubble’a,
• wykorzystanie naturalnych soczewek, czyli gromad galaktyk takich jak Abell 2218,
• fotometria wielopasmowa w podczerwieni, która pozwala wyłowić kandydatów na obiekty o dużym z,
• dokładna spektroskopia, możliwa np. dla jaśniejszych obiektów lub dzięki teleskopom takim jak James Webb.

Każda z tych metod daje inny rodzaj danych, dlatego badacze często łączą wyniki z wielu teleskopów i przeglądów, żeby uzyskać jak najpełniejszy obraz tak odległych obiektów. W efekcie pojedyncza galaktyka, np. UDFj-39546284, jest tematem prac kilku niezależnych zespołów.

Jak porównać wybrane obiekty rekordowe?

Dla uporządkowania informacji warto zestawić kilka często przywoływanych obiektów. Tabela nie jest katalogiem wszystkich rekordzistów, ale pokazuje, jakie rzędy wielkości i parametry pojawiają się we współczesnej kosmologii:

Taka tabela pokazuje też, jak bardzo wyniki zależą od przyjętej interpretacji danych. Dla tego samego obiektu UDFj-39546284 dwie różne hipotezy dają zupełnie inny obraz jego miejsca we Wszechświecie.

Co z tego wynika dla twojego pytania „jaki jest najdalszy obiekt”?

Gdy dziś pytasz o najdalszy obiekt, dostajesz w odpowiedzi nie jedną nazwę, ale cały zestaw kandydatów. Wiemy, że światło niektórych obserwowanych galaktyk leciało do nas około 13,3–13,4 miliarda lat. W tej grupie są obiekty widoczne dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu, na przykład za gromadą Abell 2218, oraz galaktyki z ultrawrażliwych przeglądów nieba, takie jak UDFj-39546284.

Kolejne instrumenty – w tym Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba – dostarczają coraz dokładniejszych danych o ich widmach, poziomie wodoru i innych pierwiastków. Dzięki temu obraz najdalszych znanych obiektów ciągle się zmienia, a każde nowe widmo z bardzo dużym przesunięciem ku czerwieni staje się kolejnym krokiem w stronę zrozumienia pierwszych galaktyk.

Dziś mówimy, że widzimy galaktyki, z których światło szło do nas ponad 13 miliardów lat, a niektóre z nich, jak UDFj-39546284, pokazują Wszechświat w wieku zaledwie 380 milionów lat.