Astronomowie obsługujący Kosmiczny Teleskop Hubble'a przedstawili wczoraj optyczny obraz Wszechświata obejmujący najdalsze galaktyki jakie udało się dotąd sfotografować w tym zakresie promieniowania. Zdjęcie obszaru nazwanego Ultragłębokie Pole Hubble'a (Hubble Ultra Deep Field, HUDF) naświetlane było przez około milion sekund (kilkanaście dni) i ukazuje pierwsze galaktyki jakie wyłoniły się z tak zwanych „Wieków Ciemnych” krótko po Wielkim Wybuchu. Ich gwiazdy ponownie ogrzały chłodny i ciemny Kosmos. Nowe zdjęcie to kolejne okno umożliwiające spojrzenie na przeszłe miliardy lat.
Nowy, historyczny obraz Wszechświata składa się z dwóch zdjęć wykonanych przez dwa urządzenia Teleskopu Kosmicznego: Advanced Camera for Surveys (ACS) oraz Near Infrared Camera and Multi-object Spectrometer (NICMOS). Na obu zdjęciach widoczne są galaktyki świecące zbyt słabo, by być obserwowanymi nie tylko z Ziemi ale i w ramach fotografowania Głębokich Pól Hubble'a w 1995 i 1998 roku.
„Teleskop przeniósł nas w miejsca odległe o rzut kamieniem od samego Wielkiego Wybuchu” – powiedział Massimo Stiavelli ze Space Telescope Science Institute w Baltimore, kierownik projektu HUDF. Połączenie obrazów z ACS i NICMOS pozwoli na poszukiwanie galaktyk istniejących 400 do 800 milionów lat po Big Bangu (odpowiadają im przesunięcia ku czerwieni pomiędzy 7 i 12). Podstawowe pytanie zadawane astronomom z HUDF brzmi: Czy Wszechświat wyglądał wtedy tak samo jak wtedy, gdy liczył już sobie miliard do dwóch miliardów lat?
Obszar HUDF zawiera około 10 tysięcy galaktyk. Dla obserwacji z Ziemi (obejmujących rejon o średnicy równej jednej dziesiątej kątowej średnicy Księżyca w pełni) obszar ten jest prawie pusty. Znajduje się on w gwiazdozbiorze Pieca (Fornax).
Obraz z Teleskopu Hubble'a pełen jest galaktyk o różnych rozmiarach, kształtach i kolorach. W przeciwieństwie do klasycznych galaktyk, spiralnych bądź eliptycznych, te w obszarze HUDF mają często postać wykałaczek lub połączonych bransoletek. Niektóre z nich oddziałują ze sobą. Te przedziwne kształty dokumentują okres, gdy Wszechświat był dużo bardziej chaotyczny niż obecnie, a porządek i struktury zaczynały się dopiero pojawiać.
Powiększenie kilku fragmentów Ultragłębokiego Pola Hubble’a ukazujące bogactwo obiektów w nim znajdujących się.
Zainstalowany w 2002 aparat ACS ma dwa razy większe pole widzenia i znacznie większą czułość niż poprzednie urządzenie, pracująca od 1993 roku Wide Field Planetary Camera 2. „Większa efektywność ACS jest teraz wykorzystywana w przeglądach nieba takich jak HUDF” – powiedział Stiavelli.
NICMOS jest w stanie spojrzeć jeszcze dalej niż ACS. Ukazuje on jeszcze odleglejsze galaktyki, gdyż rozszerzanie się Wszechświata przesunęło ich promieniowanie w zakres podczerwony, na które to urządzenie jest czułe. „NICMOS dostarcza dodatkowych danych do kosmologicznych badań realizowanych w ramach HUDF” – powiedział Rodger Thompson z University of Arizona, główny specjalista od NICMOS. ACS zaobserwował galaktyki, które istniały 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni około 7), NICMOS być może dostrzegł obiekty, które istniały 400 milionów lat wcześniej (przesunięcie ku czerwieni rzędu 12). Thompson musi jednak potwierdzić te obserwacje dalszymi badaniami.
„Zdjęcia pozwolą nam lepiej przygotować się do przejścia od NICMOS pracującego na Teleskopie Hubble'a do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Obrazy uzyskiwane obecnie obejmują obszar, który będzie szczegółowo badany przez teleskop następnej generacji„. Obserwacje podczerwone pozwalają też na lepsze badanie tych galaktyk, w których dominuje promieniowanie czerwone (o dużej długości fali) oraz tych, których światło w znacznej części zostało pochłonięte przez pył.
Obszar HUDF był także obserwowany za pomocą „gryzmatu”, urządzenia będącego połączeniem pryzmatu i siatki dyfrakcyjnej. „Uzyskane widma pozwalają na identyfikację około 1000 obiektów. Niektóre z nich to słabe czerwone kropki na obrazach z ACS, pierwszorzędne kandydatki na odległe galaktyki” – powiedziała Sangeeta Malhotra ze Space Telescope Science Institute i kierownik badań za pomocą gryzmatu. „Dzięki tej identyfikacji stwierdzić można, że niektóre z obiektów są najdalszymi i najmłodszymi galaktykami jakie kiedykolwiek obserwowano. Widma z gryzmatu pozwalają też na rozróżnianie rodzajów tych bardzo czerwonych obiektów: starych i zapylonych galaktyk, kwazarów i chłodnych karłowatych gwiazd„.
Galaktyki ewoluowały tak szybko, że najważniejsze zmiany następowały w ciągu miliarda lat od Wielkiego Wybuchu. „O ile przegląd HDF ukazał nam galaktyki jako młodzieńców, o tyle HUDF pokazuje je jako raczkujące bobasy w okresie najbardziej burzliwych zmian” – powiedział Stiavelli.
Schemat przedstawiający obszar Wszechświata, który obserwowany był przez Teleskop Hubble’a podczas fotografowania Ultragłębokiego Pola Hubble’a.
Urządzenie ACS pozwoliło Teleskopowi Kosmicznemu obserwować galaktyki dwa do czterech razy słabsze niż był on w stanie obserwować wcześniej. Jest ono też bardzo czułe na bliską podczerwień, a to pozwala astronomom na rejestrację światła pochodzącego z bardzo wczesnego Wszechświata. Umożliwi ono utrzymanie rekordu w odległości obserwacji do czasu wystrzelenia przez NASA i ESA Teleskopu Jamesa Webba. Planowane to jest na rok 2011.
Naziemne obserwacje pozwoliły jak dotąd wytropić galaktyki istniejące 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni około 10). Potrzebują one jednak do pomocy naturalnych soczewek grawitacyjnych istniejących gdzieniegdzie we Wszechświecie. Soczewki (masywne lecz leżące stosunkowo blisko galaktyki) zakrzywiają i wzmacniają światło biegnące od obiektów znajdujących się za nimi. ACS może obyć się bez nich. Nie mogą tego powtórzyć nawet naziemne teleskopy zaopatrzone w systemy optyki adaptacyjnej. Wykonanie obserwacji za pomocą ACS wymagało serii naświetlań przeprowadzonych w trakcie 400 obiegów Teleskopu wokół Ziemi.
Obserwacje HUDF rozpoczęły się 24 wrześnie 2003 roku i trwały do 16 stycznia 2004 roku. ACS, urządzenie wielkości budki telefonicznej, rejestrowało światło, które przebiegło na wskroś cały Wszechświat. Fotony od najodleglejszych galaktyk docierały w tempie jednego na minutę. Dla porównania – od najbliższych galaktyk w ciągu minuty dociera kilka milionów fotonów.
Tak jak było w przypadku HDF, tak i teraz – nowe wyniki zelektryzują prawdopodobnie społeczność astronomiczną i będą początkiem dziesiątków badań dotyczących narodzin i ewolucji Wszechświata.
Kilka pytań i odpowiedzi dotyczących obserwacji
Jak słabo świecą najodleglejsze obiekty?
Teleskop Hubble'a zarejestrował galaktyki o jasności 30 magnitudo. Najsłabsze gwiazdy, które dostrzec może ludzie około mają około 6 magnitudo. Podobną czułość mają ziemskie teleskopy, ale blask słabych obiektów ginie w poświacie jaśniejszych, bliższych galaktyk.
Poszukiwanie odległych galaktyk jest jak szukanie świetlików na Księżycu. Światło od nich biegnące raczej skapuje do Teleskopu niż płynie ciurkiem. Orbitujące obserwatorium rejestruje jeden foton na minutę. Przy obserwacjach bliskich galaktyk chwytane są w tym samym okresie miliony kwantów światła.
Ile ekspozycji wykonano?
ACS wykonał 800 ekspozycji (w ciągu 400 okrążeń Ziemi). Trwały one od 24 września 2003 do 16 stycznia 2004. Suma ich czasów trwania to około miliona sekund, czyli 11,3 dnia. Jedna ekspozycja trwała przeciętnie 21 minut. Obserwacje prowadzono przez 3 filtry: niebieski, zielony i czerwony. Obserwowano także w podczerwieni.
Ile czasu trwałyby obserwacje całej sfery niebieskiej, gdyby prowadzić je tak samo dokładnie?
Całe niebo obejmuje obszar około 12,7 miliona razy większy niż HUDF. Potrzeba by więc około miliona lat ciągłych obserwacji. Zbadany obszar jest tak mały, że obejmuje zaledwie jedną pięćdziesiątą część tarczy Księżyca w pełni.
Jaka jest zdolność rozdzielcza uzyskanej fotografii?
Około 0,085 sekundy. To kąt pod jakim widzimy monetę pięciozłotową z odległości około 60 kilometrów.
