Das am weitesten entfernte Objekt im Universum. Die am weitesten entfernte Galaxie im Universum entdeckt

Die Wissenschaft

Neu eröffnet Himmelsobjekt konkurriert um den Titel des am weitesten von uns entfernten beobachtbaren Weltraumobjekts im Universum, berichteten Astronomen. Dieses Objekt ist eine Galaxie MACS0647-JD, der 13,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.

Man geht davon aus, dass das Universum selbst 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Das Licht, das wir heute von dieser Galaxie sehen, stammt also von den Anfängen des Kosmos.

Wissenschaftler beobachten das Objekt mit NASA-Weltraumteleskopen „Hubble“ Und „Spitzer“, und diese Beobachtungen wurden mit Hilfe einer natürlichen kosmischen „Vergrößerungslinse“ ermöglicht. Diese Linse ist eigentlich ein riesiger Galaxienhaufen, dessen kombinierte Schwerkraft die Raumzeit verzerrt und so das erzeugt, was man nennt Gravitationslinse. Wenn Licht einer fernen Galaxie auf dem Weg zur Erde durch eine solche Linse gelangt, wird es verstärkt.

So sieht eine Gravitationslinse aus:

„Solche Linsen können das Licht eines Objekts so stark verstärken, dass kein von Menschen hergestelltes Teleskop dazu in der Lage ist.“, - spricht Marc Postmann, ein Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore. - Ohne eine solche Vergrößerung bedarf es einer Herkulesanstrengung, um eine so weit entfernte Galaxie zu sehen.“

Die neue ferne Galaxie ist sehr klein, viel kleiner als unsere Milchstraße- sagten die Wissenschaftler. Dem Licht nach zu urteilen, das uns erreicht hat, ist dieses Objekt sehr jung; es stammt aus einer Zeit, als sich das Universum selbst in der frühesten Phase seiner Entwicklung befand. Es war erst 420 Millionen Jahre alt, das sind 3 Prozent seines heutigen Alters.

Die kleine Galaxie ist nur 600 Lichtjahre breit, aber wie Sie wissen, ist die Milchstraße viel größer – 150.000 Lichtjahre breit. Astronomen glauben, dass die Galaxie MACS0647-JD schließlich mit anderen kleinen Galaxien zu einer größeren verschmolz.

Kosmische Verschmelzung von Galaxien

„Dieses Objekt könnte einer von vielen Bausteinen einer größeren Galaxie sein,- sagen die Forscher. – In den nächsten 13 Milliarden Jahren hätte es Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Verschmelzungen mit anderen Galaxien oder deren Fragmenten geben können.“

Astronomen beobachten weiterhin noch weiter entfernte Objekte, da sich ihre Beobachtungstechniken und Instrumente verbessern. Das bisherige Objekt, das den Titel der am weitesten entfernten beobachteten Galaxie trug, war die Galaxie SXDF-NB1006-2, die 12,91 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dieses Objekt wurde mit Teleskopen gesehen „Subaru“ Und „Kek“ in Hawaii.

Die Untersuchung der am weitesten entfernten Galaxien kann uns Objekte zeigen, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, aber selbst mit perfekter Technologie ist die räumliche Lücke zwischen der am weitesten entfernten Galaxie und Urknall wird riesig bleiben.

Wenn wir in das Universum schauen, sehen wir überall Licht, in allen Entfernungen, die unsere Teleskope erfassen können. Aber irgendwann werden wir an Grenzen stoßen. Eine davon wird durch die kosmische Struktur, die sich im Universum bildet, auferlegt: Wir können Sterne, Galaxien usw. nur sehen, wenn sie Licht aussenden. Ohne dies können unsere Teleskope nichts sehen. Eine weitere Einschränkung bei der Nutzung anderer Formen der Astronomie als Licht ist die Einschränkung, wie viel vom Universum seit dem Urknall für uns zugänglich ist. Diese beiden Größen hängen möglicherweise nicht miteinander zusammen, und zu diesem Thema stellt uns unser Leser eine Frage:

Warum liegt die Rotverschiebung der CMB im Bereich von 1000, obwohl die höchste Rotverschiebung aller Galaxien, die wir gesehen haben, bei 11 liegt?

Zuerst müssen wir verstehen, was seit dem Urknall in unserem Universum passiert ist.



Das beobachtbare Universum mag sich aus unserer Sicht über 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen erstrecken, aber es gibt sicherlich auch andere Teile davon, die für uns nicht beobachtbar sind, und vielleicht sind sie sogar unendlich.

Die Gesamtheit dessen, was wir wissen, sehen, beobachten und mit dem wir interagieren, wird als „beobachtbares Universum“ bezeichnet. Wahrscheinlich gibt es darüber hinaus noch weitere Regionen des Universums, und mit der Zeit werden wir in der Lage sein, immer mehr dieser Regionen zu sehen, wenn das Licht entfernter Objekte uns schließlich erreicht Raumfahrt in Milliarden von Jahren. Aufgrund einer Kombination aus drei Faktoren können wir sehen, was wir sehen (und mehr, nicht weniger):

• Seit dem Urknall ist eine endliche Zeitspanne vergangen, 13,8 Milliarden Jahre.


• Lichtgeschwindigkeit maximale Geschwindigkeit Für jedes Signal oder Teilchen, das sich durch das Universum bewegt, ist es endlich und konstant.


• Das eigentliche Gefüge des Weltraums hat sich seit dem Urknall gedehnt und ausgedehnt.

Zeitleiste der Geschichte des beobachtbaren Universums

Was wir heute sehen, ist das Ergebnis dieser drei Faktoren sowie der ursprünglichen Verteilung von Materie und Energie, die im Laufe der Geschichte des Universums nach den Gesetzen der Physik funktionierte. Wenn wir wissen wollen, wie das Universum zu irgendeinem frühen Zeitpunkt aussah, müssen wir nur beobachten, wie es heute aussieht, alle damit verbundenen Parameter messen und berechnen, wie es in der Vergangenheit aussah. Dazu benötigen wir viele Beobachtungen und Messungen, aber Einsteins Gleichungen sind zwar so schwierig, aber zumindest eindeutig. Die resultierenden Ergebnisse führen zu zwei Gleichungen, den sogenannten Friedmann-Gleichungen, und jeder Student der Kosmologie steht vor der Aufgabe, sie direkt zu lösen. Aber um ehrlich zu sein, konnten wir einige erstaunliche Messungen der Parameter des Universums durchführen.

Blick in die Richtung Nordpol Durch die Galaxien der Milchstraße können wir in die Tiefen des Weltalls blicken. Dieses Bild enthält Hunderttausende Galaxien und jedes Pixel ist eine andere Galaxie.

Wir wissen, wie schnell es heute wächst. Wir wissen, wie hoch die Dichte der Materie in jeder Blickrichtung ist. Wir wissen, wie viele Strukturen sich auf allen Skalen bilden, von Kugelsternhaufen bis hin zu Zwerggalaxien, von großen Galaxien bis hin zu Galaxiengruppen, Clustern und großräumigen Filamentstrukturen. Wir wissen, wie viel normale Materie, dunkle Materie, dunkle Energie und auch kleinere Komponenten wie Neutrinos, Strahlung und sogar schwarze Löcher im Universum vorhanden sind. Und nur aus diesen Informationen können wir, wenn wir sie in die Vergangenheit extrapolieren, sowohl die Größe des Universums als auch die Geschwindigkeit seiner Expansion zu jedem Zeitpunkt seiner kosmischen Geschichte berechnen.

Logarithmisches Diagramm der Größe des beobachtbaren Universums im Verhältnis zum Alter

Heute erstreckt sich unser beobachtbares Universum aus unserer Sicht über etwa 46,1 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen. In dieser Entfernung befindet sich der Ausgangspunkt eines imaginären Teilchens, das sich im Moment des Urknalls auf den Weg machte und mit Lichtgeschwindigkeit heute, 13,8 Milliarden Jahre später, bei uns ankommen würde. Im Prinzip wurden in dieser Entfernung alle Gravitationswellen erzeugt, die von der kosmischen Inflation übrig geblieben waren – dem Zustand, der dem Urknall vorausging, das Universum gründete und alle Anfangsbedingungen bereitstellte.

Gravitationswellen, erzeugt durch kosmische Inflation – das ist das älteste Signal von allen, das die Menschheit im Prinzip erkennen konnte. Sie wurden am Ende der kosmischen Inflation und ganz am Anfang des heißen Urknalls geboren.

Aber es gibt noch andere Signale im Universum. Als sie 380.000 Jahre alt war, hörte die Reststrahlung des Urknalls auf, an freien geladenen Teilchen zu streuen, als diese neutrale Atome bildeten. Und diese Photonen werden nach der Bildung von Atomen mit der Expansion des Universums weiterhin rotverschoben und können heute mit einer Mikrowelle oder einer Radioantenne/einem Radioteleskop beobachtet werden. Aber aufgrund der schnellen Expansionsrate des Universums in den frühen Stadien ist die „Oberfläche“, die mit diesem Restlicht – dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – zu uns „leuchtet“, nur 45,2 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die Entfernung vom Anfang des Universums bis zu dem Ort, an dem sich das Universum nach 380.000 Jahren befand, beträgt 900 Millionen Lichtjahre!

Kälteschwankungen (blau) im CMB sind nicht per se kälter, sondern stellen lediglich Bereiche mit erhöhter Anziehungskraft aufgrund der erhöhten Materiedichte dar. Heiße (rote) Regionen sind heißer, weil die Strahlung in diesen Regionen in einer flacheren Gravitationsquelle lebt. Im Laufe der Zeit ist es wahrscheinlicher, dass dichtere Regionen zu Sternen, Galaxien und Haufen heranwachsen, während weniger dichte Regionen dazu weniger wahrscheinlich sind.

Es wird noch lange dauern, bis wir die entfernteste Galaxie im Universum finden, die wir entdeckt haben. Obwohl Simulationen und Berechnungen zeigen, dass sich die allerersten Sterne 50–100 Millionen Jahre nach Beginn des Universums und die ersten Galaxien nach 200 Millionen Jahren gebildet haben könnten, haben wir noch nicht so weit zurückgeschaut (obwohl es Hoffnung gibt, dass nach dem Wenn wir nächstes Jahr das James Webb-Weltraumteleskop starten, schaffen wir das!). Heute wird der kosmische Rekord von der unten gezeigten Galaxie gehalten, die existierte, als das Universum 400 Millionen Jahre alt war – das sind nur 3 % seines heutigen Alters. Allerdings ist diese Galaxie, GN-z11, nur 32 Milliarden Lichtjahre entfernt: Das sind etwa 14 Milliarden Lichtjahre vom „Rand“ des beobachtbaren Universums.

Die am weitesten entfernte entdeckte Galaxie: GN-z11, Foto aus der GOODS-N-Beobachtung des Hubble-Teleskops.

Der Grund dafür liegt darin, dass die Expansionsrate anfangs mit der Zeit sehr schnell abnahm. Als die Galaxie Gz-11, wie wir sie sehen, existierte, expandierte das Universum 20-mal schneller als heute. Als das CMB emittiert wurde, expandierte das Universum 20.000-mal schneller als heute. Soweit wir wissen, expandierte das Universum zum Zeitpunkt des Urknalls 10 36-mal schneller, also 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000-mal schneller als heute. Im Laufe der Zeit hat die Expansionsrate des Universums stark abgenommen.

Und das tut uns sehr gut! Das Gleichgewicht zwischen der primären Expansionsrate und der Gesamtenergiemenge im Universum in all seinen Formen bleibt bis auf den Fehler unserer Beobachtungen perfekt erhalten. Hätte es zu Beginn auch nur ein wenig mehr Materie oder Strahlung im Universum gegeben, wäre es vor Milliarden von Jahren wieder zusammengebrochen und wir würden nicht existieren. Wenn es im Universum schon früh zu wenig Materie oder Strahlung gäbe, würde es sich so schnell ausdehnen, dass Teilchen nicht einmal in der Lage wären, sich zu treffen und überhaupt Atome zu bilden, geschweige denn komplexere Strukturen wie Galaxien, Sterne, Planeten und Menschen. Die kosmische Geschichte, die uns das Universum erzählt, ist eine Geschichte des extremen Gleichgewichts, dank dessen wir existieren.

Das komplizierte Gleichgewicht zwischen der Expansionsrate und der Gesamtdichte des Universums ist so empfindlich, dass selbst eine Abweichung von 0,00000000001 % in beide Richtungen das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt für jegliches Leben, Sterne oder sogar Planeten völlig unbewohnbar machen würde.

Wenn unser Bestes wahr ist moderne Theorien, dann müssten sich die ersten echten Galaxien im Alter von 120 bis 210 Millionen Jahren gebildet haben. Dies entspricht einer Entfernung von uns zu ihnen von 35–37 Milliarden Lichtjahren und einer Entfernung von der am weitesten entfernten Galaxie bis zum Rand des heute beobachtbaren Universums von 9–11 Milliarden Lichtjahren. Das ist extrem weit und sagt eines erstaunliche Tatsache: Das Universum expandierte in den frühen Stadien extrem schnell und heute expandiert es viel langsamer. 1 % des Alters des Universums ist für 20 % seiner gesamten Ausdehnung verantwortlich!

Die Geschichte des Universums ist voller fantastischer Ereignisse, aber seit dem Ende der Inflation und dem Urknall ist die Expansionsrate rapide zurückgegangen und verlangsamt sich, da die Dichte weiter abnimmt.

Die Expansion des Universums dehnt die Wellenlänge des Lichts aus (und ist für die Rotverschiebung verantwortlich, die wir sehen), und die große Geschwindigkeit dieser Expansion ist für den großen Abstand zwischen dem Mikrowellenhintergrund und der am weitesten entfernten Galaxie verantwortlich. Aber die heutige Größe des Universums offenbart noch etwas Erstaunliches: unglaubliche Effekte, die im Laufe der Zeit aufgetreten sind. Im Laufe der Zeit wird sich das Universum immer weiter ausdehnen, und bis es das Zehnfache seines heutigen Alters erreicht hat, werden die Entfernungen so stark zugenommen haben, dass wir außer Mitgliedern unserer lokalen Gruppe keine Galaxien mehr sehen können. sogar mit einem Hubble-Teleskop. Genießen Sie alles, was heute sichtbar ist, die große Vielfalt dessen, was auf allen kosmischen Ebenen vorhanden ist. Es wird nicht ewig dauern!

Das 1990 gestartete Hubble-Orbitalteleskop ist zum Hauptinstrument der Erdbewohner geworden und erweitert die sichtbaren Grenzen des Universums. Die Schlagzeilen „Astronomen haben die am weitesten entfernte Galaxie gefunden“ sind den Medien bekannt geworden und wissenschaftliche Veröffentlichungen, denn es ist wirklich möglich, zumindest jeden Tag das am weitesten entfernte Objekt zu finden. Es mag den Anschein haben, dass solche Entdeckungen keinen qualitativen Durchbruch bringen: Je stärker wir mit dem Fernglas außerhalb der Stadt unterwegs sind, desto weiter können wir sehen.

Allerdings ist diese Analogie hier nicht ganz zutreffend. Mit einem stärkeren Fernglas sehen wir weiterhin im Wesentlichen dieselben Objekte – Felder, Flüsse, Wälder, Gebäude. All dies wächst, bewegt, steht und fällt nicht nach uns längst bekannten Gesetzen.

Der heute sichtbare „Rand“ enthält Objekte, die nur Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall Licht aussendeten. Zu dieser Zeit begann das Universum gerade erst Gestalt anzunehmen. Deshalb versuchen wir bei der Entdeckung der am weitesten entfernten Galaxien nicht zu verstehen, „was kommt als nächstes?“, sondern „wie hat alles angefangen?“

Rotverschiebung

Universumslinie Die Rotverschiebung ist das Verhältnis der Größe der Verschiebung der Spektrallinie zur längeren Wellenlängenseite zur Wellenlänge im Laborreferenzrahmen.

Bei Objekten, die zu Beginn des Universums Licht emittierten, ist diese Verschiebung um ein Vielfaches größer als die Wellenlänge selbst

Das Universum dehnt sich ständig aus und je weiter ein Objekt im großen Maßstab beobachtet wird, desto schneller entfernt es sich von uns. Das bequemste Maß für die Entfernung ist daher die Beurteilung der durch den Doppler-Effekt verursachten Rötung eines Objekts. Die bis vor Kurzem am weitesten entfernte Galaxie hatte eine Rotverschiebung von z=8,6. Sie wurde 600 Millionen Jahre nach dem Urknall geboren.

Der Zeitraum von 150 bis 800 Millionen Jahren nach dem Urknall bezeichnet die sogenannte Reionisierungsperiode, in der die ersten Sterne und Galaxien das intergalaktische Gas ionisierten.

In einem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel berichten Astronomen um Richard Bowens von der Universität Leiden über die Entdeckung einer noch weiter entfernten Galaxie mit einer Rotverschiebung von etwa 10. Die Galaxie UDFj-39546284 wurde 2009 entdeckt, nur drei Monate nach dem Hubble-Teleskop Verbaut ist eine Weitwinkelkamera UDFj-39546284. Der schwache Fleck, der am tiefen Himmel sichtbar ist, ist nichts anderes als eine kompakte Galaxie, die aus jungen blauen Sternen besteht. Das Licht, das wir von ihm sehen, wird nur 480 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgestrahlt.

„Diese Beobachtungen geben uns den besten Einblick in die frühesten gefundenen Objekte“, erklärte Richard Bowens.

Kinderstube des Universums

Die Galaxie, deren Licht uns erreichte, ist zu klein und zu jung, um eine Spiralform oder andere Merkmale aufzuweisen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Galaxie von 100 bis 200 Millionen Jahre alten Sternen bewohnt wurde. Sie wurden aus Gas gebildet, das sich um geheimnisvolle Klumpen sammelte Dunkle Materie.

Den Forschern zufolge erlebte das junge Universum im beobachteten Zeitalter eine Art Babyboom: In der Zeit von 480 bis 650 Millionen Jahren nach dem Urknall nahm die Zahl der Sterne um eine Größenordnung zu. „Die rasante Geschwindigkeit, mit der Sterne geboren wurden, sagt uns, dass wir, wenn wir etwas weiter zurückblicken, viel dramatischere Veränderungen sehen werden, die während der Entstehung der allerersten Galaxien stattfanden“, sagte Garth Illingworth von der University of California, Santa Cruz.

Über den Rand hinaus

Nachdem die z=10-Marke überschritten war, näherten sich die Astronomen dem „Rand des Randes“. Die ersten 500 Millionen Jahre (bei z von 1000 bis 10) nach dem Urknall bleiben ein weißer Fleck im heute akzeptierten hierarchischen Modell der Galaxienentstehung – von Sternhaufen bis hin zu elliptischen und Spiralgalaxien. Die Galaxie UDFj-39546284 wurde im entferntesten Infrarot-Wellenlängenbereich entdeckt, der für das Hubble-Teleskop sichtbar ist. Wissenschaftler hoffen, mithilfe des James-Webb-Teleskops tiefer in die frühen Jahre des Universums blicken zu können.

Mithilfe von Daten des Hubble-Weltraumteleskops haben Astronomen das am weitesten entfernte Objekt in unserem Universum entdeckt – eine Galaxie, die 13,2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.

„Wir sind in die Vergangenheit gereist und den ersten Galaxien sehr nahe gekommen, von denen wir glauben, dass sie etwa 200 bis 300 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind“, zitiert RIA Novosti einen der Autoren des Werks, Garth Illingworth. Es stellte sich heraus, dass es sich bei dem einzigartigen Objekt um UDFj-39546284 handelte – eine rekordverdächtige ferne Galaxie, die sich durch eine relativ geringe Sternentstehungsrate auszeichnete. Ein Vergleich der Daten darüber mit Informationen über andere relativ nähere und „ältere“ Galaxien zeigte, dass sich die Sternentstehungsrate in Galaxien in nur 170 Millionen Jahren verzehnfacht hat.

„Das ist ein erstaunliches Wachstum über einen Zeitraum, der nur 1 % des aktuellen Alters des Universums ausmacht“, sagt Illingworth. Laut Wissenschaftlern stimmen diese Daten mit einem hierarchischen Bild der Galaxienentstehung überein, bei dem Galaxien unter dem Einfluss der Schwerkraft der Dunklen Materie wachsen und verschmelzen. Die von Wissenschaftlern entdeckte Galaxie ist viel kleiner und leichter als moderne Spiralgalaxien. Unsere Galaxie ist also etwa 100-mal massereicher.

Die Suche nach immer weiter entfernten kosmischen Objekten hilft Astronomen, einen Blick in die ferne Vergangenheit des Universums zu werfen. Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, sehen wir entfernte Galaxien so, wie sie in der fernen Vergangenheit waren. Astronomen beobachten die Galaxie UDFj-39546284 so, wie sie war, als das Universum nur 480 Millionen Jahre alt war.

Der Hauptindikator für die Entfernung zu entfernten Galaxien ist die Rotverschiebung – eine Verschiebung von Linien im Spektrum aufgrund des Doppler-Effekts. Je größer die Rotverschiebung, desto weiter ist das kosmische Objekt entfernt, da mit der Entfernung nach dem Hubble-Gesetz die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien zunimmt. Nach Angaben der Autoren der Entdeckung der am weitesten entfernten Galaxie könnte ihre Rotverschiebung 10,3 betragen. Diese Daten sind jedoch nicht endgültig, da moderne Bühne In der Entwicklung der Astronomie ist die genaue Messung der Rotverschiebung eine äußerst schwierige Aufgabe. „Bis die Rotverschiebung mit spektroskopischen Methoden gemessen wird, bleibt sie nur ein Kandidat, wenn auch ein guter Kandidat“, kommentierte der Astrophysiker Sergei Popov vom Sternberg Astronomical Institute die Entdeckung.

Wenn sich herausstellt, dass die Rotverschiebung der offenen Galaxie tatsächlich im Bereich von 9 bis 10 liegt, wird das Objekt als das älteste im Universum anerkannt. Mittlerweile hatte diesen Titel die Galaxie UDFy-38135539 inne, die 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Es wurde im Oktober 2010 von Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) entdeckt. Die Rotverschiebung dieser Galaxie betrug 8,5549, und wir sehen sie so, wie sie vor etwa 600 Millionen Jahren war.