12. srpna 2023
O velmi vzdálených galaxiích, které pozorují vesmírné teleskopy jako Hubble nebo Webb, jsme se zde bavili již mnohokrát. Představovali jsme si například donedávna rekordní galaxii GN-z11 s rudým posuvem 10,957 a vzdáleností asi 13,38 miliardy světelných let. Probírali jsme i nové objevy Webbova dalekohledu a to, že je k nim potřeba přistupovat s jistou opatrností. Ačkoliv jsou totiž některé údaje téměř jistě správné, není úplně jisté, že se podaří skutečně prokázat rudý posuv 18 nebo 20 u některých opravdu extrémních galaxií. Navíc i kdyby ano, neznamená to, že byla vyvrácena teorie velkého třesku, jak někteří rádi říkají. Dnes se ale podíváme na jeden o něco méně kontroverzní nález.
Webb a průzkum velmi vzdáleného vesmíru
Dalekohled Jamese Webba (JWST)
Zdroj: http://static.ddmcdn.com
V rámci programu Webbova dalekohledu je kladen důraz na celou řadu velmi důležitých a zajímavých témat. Ať už jde o tělesa Sluneční soustavy, extrasolární planety nebo výzkum vzniku a vývoje hvězd. Důležitou součástí je ale též studium evoluce galaxií. Pozorují se samozřejmě bližší, ale také velmi vzdálené galaxie. A hledají se dokonce nejvzdálenější objekty ve vesmíru.
V rámci pozorovacího času teleskopu má přidělený pozorovací čas několik programů zaměřených právě na kosmologii a studium nejstarších struktur v kosmu. Mezi nejvýznamnější patří Cosmis Evolution Early Release Science Survey (CEERS), JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) a Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS). Pokud narazíte v souvislosti s JWST na informace ohledně extrémně dalekých galaxií, obvykle za tím stojí jeden z těchto tří projektů.
Donedávna nejstarší známá galaxie GN-z11 nacházející se v souhvězdí Velké Medvědice. Červený vzhled je jasně patrný.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
Mimochodem, uvidíte-li na fotografie nějaké velmi vzdálené galaxie, povšimněte si prosím, že má vždy výrazně červenou barvu. Konkrétně Webb pozoruje v infračervené oblasti, takže nejde o skutečný vzhled, jak bychom viděli objekt očima, přesto však jde o reprezentaci něčeho reálného. Tyto galaxie totiž vykazují značný rudý posuv, tedy prodloužení vlnové délky na straně přijímače. Jinými slovy, světlo, které tyto objekty vyzářily, se za dobu života vesmíru výrazně posunulo k delším vlnovým délkám a nižším energiím (na tomto konci viditelného spektra je červená, proto rudý posuv).
CEERS-93316
Zdroj: https://news.stv.tv/
Program CEERS stojí za objevem galaxie CEERS-93316, u níž původní data hovořila o rudém posuvu 16,4. To by z ní činilo nejvzdálenější známou galaxii. Údaj byl ale změřen fotometricky a jak víme z minulého článku, fotometrická metoda je pouze přibližná a tudíž poměrně nespolehlivá. Přesnější spektroskopické měření snížilo hodnotu rudého posuvu na 4,91. To je stále hodně, odpovídá to vzdálenosti 12,6 miliardy světelných let, ale už nejde o naprosto fantastické číslo 13,56 miliardy světelných let. Tato galaxie nás učí, že je vhodné si svá měření raději řádně ověřit.
Detail na potenciální galaxii (možná ale temnou hvězdu?) JADES-GS-z13-0 v hlubokém poli v souhvězdí Pece.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
Druhý z programů JADES má již také význačné úspěchy. Zejména v objevu objektu JADES-GS-z13-0, jenž byl nalezen v Hubbleově ultra hlubokém poli v souhvězdí Pece. Spektroskopicky došlo k potvrzení rudého posuvu na 13,2, což odpovídá vzdálenosti 13,474 miliard světelných let. I když v tomto případě spektroskopie zafungovala, je stále na místě jistá obezřetnost. Připravená odborná publikace dosud neprošla recenzním řízením, pořád se může objevit nějaká chyba. Navíc se vyskytují i alternativní názory, jako třeba ten, že JADES-GS-z13-0 není ve skutečnosti galaxie, ale tzv. temná hvězda tvořená částečně temnou hmotou, která má hmotnost asi milionkrát větší, než naše Slunce.
A nakonec vzpomeňme průzkum GLASS, neboť i ten stojí za objevem několika fascinujících objektů. Tím asi nejdůležitějším je galaxie GLASS-z12. Původně zjištěný rudý posuv činil 13,1, následně se povedlo upřesnit hodnotu na 12,4, došlo proto i na přejmenování galaxie do současné podoby. A právě na GLASS-z12 se dnes podíváme trochu podrobněji. I ona hodnota 12,4 byla totiž zjištěna fotometricky. Fyziky proto zajímalo, zda se podaří potvrdit měření Webbu i spektroskopicky.
Pozorování pozemními radioteleskopy
Atacama Large Millimeter Array (ALMA)
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
Právě to se rozhodla ověřit skupina vědců z Japonska, konkrétně astronomové z Nagojské univerzity a Národní astronomické observatoře (NAOJ). Jejich cílem se stalo zachytit rádiový signál právě z galaxie GLASS-z12. Využili k tomu síť radioteleskopů Atacama Large Millimeter Array (ALMA) umístěnou na náhorní planině Chajnantor v nadmořské výšce 5058 metrů.
A proč že je to vlastně potřeba? Jak už víme, fotometrické určení rudého posuvu je mnohem méně přesné oproti měření spektroskopickému. V průběhu prvních měsíců činnosti JWST se podařilo najít tak moc galaxií s velkým rudým posuvem, až nás to přimělo začít uvažovat o tom, zda jsou naše současné modely vývoje prvních struktur v kosmu správné. Jenže tato měření mohou být ovlivněna tím, že mnohé výrazně červené galaxie nejsou ve skutečnosti ty nejvzdálenější, ale ty velmi bohaté na prach (přesně tak to je u CEERS-93316). Pak by se nám mohlo zdát, že je daný objekt oproti skutečnost výrazně vzdálenější.
Kupa Abell 2744 na snímku Webbova dalekohledu. Ve výřezech uprostřed vidíme dvě extrémně vzdálené galaxie. Ty se zdají mít naoranžovělou barvu a jsou poměrně malé. Galaxie na obrázku dole je právě naše GLASS-z12.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/
Proto je velmi záhodno zjištění fotometrických měření potvrdit nebo vyvrátit skrze spektroskopii, abychom získali jasnou představu o skutečné vzdálenosti sledovaných objektů. ALMA se k takovému úkolu výborně hodí, protože dokáže vidět poměrně dobře extrémně vzdálené objekty, pracuje na jiných vlnových délkách než Webb, a jde o pozemní observatoř, nikoliv kosmickou. Takže dané měření je na Webbu téměř tak nezávislé, jak jen může být.
Detail galaxie GLASS-z12.
Zdroj: https://universemagazine.com/
Japonský tým se rozhodl hledat ve spektru GLASS-z12 emisní čáru kyslíku. Tento prvek s protonovým číslem osm totiž není jen zcela nezbytný pro život našeho typu, ale jde též o jeden z nejběžnějších prvků ve vesmíru. Vodík a helium zabírají samozřejmě naprostou většinu atomů, ale právě kyslík je třetím nejhojnějším prvkem v kosmu. Navíc kyslík má tu výhodu, že se vytváří poměrně rychle, čili jde u velmi vzdálených galaxií o dosti hojně zastoupený prvek.
Úsilí se nakonec astronomům vyplatilo. Pomocí radioteleskopů ALMA byli schopni skutečně detekovat emisní čáru kyslíku velmi blízko pozice galaxie. Zpočátku se obávali, že zjistí drobnou změnu mezi polohou, kterou pro tuto galaxii udává Webbův dalekohled a pozicí na níž měřili spektrální čáru. Výsledky proto několikrát důkladně ověřili a dospěli k závěru, že jejich měření je skutečně spolehlivé a jen velmi obtížně se dá interpretovat jinak, než že jde skutečně o spektrální čáru z galaxie GLASS-z12.
Dole detailnější pohled na GLASS-z12, nahoře naměřené spektrum z observatoře ALMA a odpovídající věk. Tato galaxie existovala již 367 milionů let po Velkém třesku.
Zdroj: https://universemagazine.com/
U ní se podařilo potvrdit rudý posuv zjištěný Webbovým teleskopem. Či abych byl přesnější, měření z observatoře ALMA rudý posuv galaxie mírně snižuje a to z 12,4 na 12,117. Tomu odpovídá vzdálenost 13,433 miliard světelných let. Jde dosud o čtvrtou nejvzdálenější galaxii, u níž došlo na potvrzení rudého posuvu spektroskopickou metodou a druhou nejvzdálenější, jejíž publikace prošla skrze recenzní řízení (rekordní galaxie je vzdálená 13,477 miliard světelných let, ale její detekce je dosud poněkud kontroverzní).
V případě GLASS-z12 ale není pochopitelně význam měření z observatoře ALMA jen v překonávání rekordů, nýbrž i v zjištění řady podstatných informací o galaxiích v raném vesmíru. Ukázalo se, že GLASS-z12 velmi brzy po svém vzniku získala prvky těžší než vodík a helium. Tento výsledek nám může pomoci pochopit prvotní fázi evoluce galaxií, ale i hvězd. Ze zjištěných parametrů se totiž zdá, že se v primordiálních galaxiích vyskytovaly prudké exploze, které odfoukly plyn z centrálních částí galaxií do částí okrajových a nebo dokonce zcela mimo ně.
Závěr
Nedávné pozorování sítě radioteleskopů ALMA potvrzuje některé z velmi zajímavých a důležitých pozorování Webbova dalekohledu. Předkládá nám totiž solidní důkazy pro existenci galaxií již zhruba 350 milionů let po Velkém třesku. Přesto nezapomínejme, že zvláště u fantastických měření s rudým posuvem kolem hodnoty 20, je na místě velká dávka zdrženlivosti, neboť tato data mohou mít i jiné vysvětlení. Určitě nás však na poli kosmologie čeká v příštích desetiletích ještě spousta zásadních objevů, neboť Webbův dalekohled sotva začal svoji práci. Nové výsledky také názorně ukazují mimořádnou důležitost spolupráce pozemních a kosmických observatoří.
Opravy a doplnění
- 12. 8. 2023 10:55 – Na základě upozornění jsem upravil rudý posuv u galaxie CEERS-93316 z chybné hodnoty 4,6 na správnou hodnotu 4,91. Za nepřesnost se omlouvám.
Poznámka autora
- Nemusíte se bát, o nový díl seriálu o výsledcích Webbova teleskopu nepřijdete. V tuto chvíli mám již dopsaný text, který prochází kontrolou a snad za týden jej vydám. Tím se současně omlouvám, že vyjde trochu oproti zvyklosti o něco později, avšak tentokrát bylo nutné probrat a zpracovat opravdu hodně materiálu.
Použité a doporučené zdroje
- ESA Webb: https://esawebb.org/
- NASA Webb: https://webb.nasa.gov/
- Webb Space Telescope: https://webbtelescope.org/home
- ALMA: https://www.almaobservatory.org/en/home/
- Nagoya University: https://en.nagoya-u.ac.jp/
- NAOJ: https://www.nao.ac.jp/en/
- GLASS: https://glass.astro.ucla.edu/
- CEERS: https://ceers.github.io/
Zdroje obrázků
- https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2022/07/sei_115555193.jpg
- http://static.ddmcdn.com/gif/jwst-art-670×440-150421.jpg
- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Distant_galaxy_GN-z11_in_GOODS-N_image_by_HST.jpg
- https://news.stv.tv/wp-content/uploads/2022/07/8c428b22f8acd1988ef91727006c09d7-1659184656.jpg
- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/JADES-GS-z13-0.png
- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/The_Atacama_Large_Millimeter_submillimeter_Array_%28ALMA%29_by_night_under_the_Magellanic_Clouds.jpg
- https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2220c.jpg
- https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2022/07/sei_115555193.jpg
- https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2023/01/63d2bf864d22d_img_desktop.png
Rubrika 
Nahrávání ...
Díky za zajímavé čtení! Bylo by možné napsat článek i o tom, jak se takovým teleskopem zhruba pracuje? Jak vypadá uživatelské rozhraní nebo software, jak se zpracovávají data, jestli se i s ostatními dalekohledy pracuje podobně, nebo jestli se s každým novým přístrojem musí vědecká obec nejprve naučit s ním pracovat, nebo jestli jsou principy víceméně podobné…?
Děkuji moc za pochvalu.
No napsat takový článek by možné asi bylo, ale úplně si nemyslím, že to je téma pro mě. Já jsem právě spíš na tu vědu, výzkumy, výsledky a podobně. Uživatelská rozhraní, software, přenosová rychlost a podobně, to jde dost mimo mě.
Možná něco bude v seriálu Karla Zvoníka FAQ: Vše o Teleskopu Jamese Webba. Něco málo je skutečně v tomto dílu, ale předpokládám, že byste preferoval více informací.
https://kosmonautix.cz/2022/02/faq-vse-o-teleskopu-jamese-webba-6-dil/
Co se týče toho zpracování dat. O tom ani obecně napsat není možné, protože drtivou většinu dat nezpracovává někdo centrálně, ale zpracovávají si je členové vědeckých týmů, kteří získali přidělený pozorovací čas. Takže pokud jeden tým zkoumá třeba ledové obry Uran a Neptun a jiný tým zkoumá aktivní jádra galaxií, pak mohou používat ke zpracování svých dat zcela jiné metody, programy a podobně. Dokonce i u těch kosmologických projektů CEERS, GLASS a JADES se může zpracování dat lišit.
A pokud jde o srovnání teleskopů. Ty úplně základní principy jsou pochopitelně stejné nebo dost podobné. Ale to vůbec neznamená, že by se astronomové nemuseli novému přístroji přizpůsobit a že by se nemuseli s ním nějakou dobu učit zacházet. Každý dalekohled nebo observatoř má svá specifika, ať už jde o Webb nebo třeba Kepler. U Webba šlo třeba i o to, že se úplně přesně nevědělo co bude schopen spatřit, nakonec se zjistilo, že oproti předpokladům funguje ještě lépe a vidí dokonce slabší objekty a těch umí spatřit více.
Ať už neupravuju původní příspěvek. Kolega Karel Zvoník našel simulátor softwaru JWST, třeba Vám to aspoň trochu pomůže.
https://www.jwst.fr/2020/11/tools/
Díky za obsáhlou odpověď, simulátor určitě omrknu 🙂
A ještě dodám, že taky záleží, co který výzkumný tým používá za přístroj. Protože ty se sice v některých aspektech dokážou zastoupit, ale mají i unikátní možnosti, které jiný Webbův přístroj neumí. Každý z nich má několik vlastních režimů, v nichž může pozorovat. Více zde: https://kosmonautix.cz/2022/05/zkousky-17-rezimu-vedeckych-pristroju-jwst/
„10,957 a vzdáleností asi 13,38 miliardy světelných let.“
IMHO ne vzdálenost, ale stáří… Ta galaxie bude daleko dále. (wiki udává 32 mld ly)
Za prvé, nevím jistě o jakém objektu mluvíte. Předpokládám správně, že o GN-z11?
Za druhé. Ne tak docela. Mám pravdu, ale současně máte pravdu i vy. 🙂 Vysvětlím. Vzdálenost se uvádí totiž ve dvou verzích. Jedna je tzv. light-travel distance a druhá je present proper distance. Ve skutečnosti se třeba uvádí ještě i tzv. luminosity distance, ale tím si to teď nebudeme komplikovat.
Kupříkladu pro HD1 (nejvzdálenější galaxie potvrzená spektroskopicky, ale pořád dost kontroverzní objev) se tak uvádí vzdálenosti 13,477 miliardy světelných let, ale taky 33,288 miliardy světelných let. Obě čísla jsou zcela správná a já můžu uvádět to, které se mi více líbí nebo se mi hodí z těch či oněch důvodů. A já jsem si vybral light-travel distance. Což se ale právě na Wikipedii u těch vzdálených galaxií téměř vždy píše, myslím obě hodnoty.
…13,477 miliardy světelných let,
ale taky 33,288 miliardy světelných let.
Je to tedy tak, že se objekt zájmu od doby vyslání světla před zhruba 13 miliardami let vzdálil o dalších zhruba 20 miliard let díky rozpínání vesmíru.
Je správná představa, že v době vyslání světla jsme byli od sebe vzdáleni zhruba 3 miliardy světelných let, protože o polovinu blíž než je rozepnutí?
Ale sami tam píšou, že „nevhodně uváděna“…
„It is observed as it existed 13.4 billion years ago, just 400 million years after the Big Bang as a result, its distance is sometimes inappropriately reported as 13.4 billion light-years, its light-travel distance measurement.“
No, pominu, že Wikipedia není zrovna nejlepší zdroj fyzikálních tvrzení, tak přejdu k tomu, že sice ta druhá hodnota je možná trochu korektnější, ale úplně běžně se uvádí i ta první light-travel distance. Proč? No protože je to mnohem názornější a kdybych chtěl uvádět druhou nebo dokonce obě, musel bych uvádět a vysvětlit spoustu dalších věcí. Takže ve skutečnosti zjistíte, že tyto vzdálenost jako 13,4 nebo 13,2 miliardy světelných let úplně běžně uvádějí i největší odborníci na kosmologii a to nejen v popularizačních textech, ale i v textech odbornějších. Takže u toho s dovolením zůstanu také.
Vezmu to od konce. V zásadě je tato představa správná. Nicméně ono je to samozřejmě trochu složitější. Musíte vzít v potaz, že hodnota Hubbleova parametru (někdy též ne zcela správně konstanty) byla v minulosti jiná a zejména je potřeba uvažovat existenci temné energie, která na začátku neměla téměř žádnou úlohu, ale dnes se naopak stala dominantní.
Takže ve skutečnosti jsou za tím dost složité výpočty, ale základní představa kterou uvádíte je korektní, byť ta čísla nemusí úplně přesně odpovídat, u takto vzdálených galaxií přitom budou odpovídat hůře, než kdybyste uvažoval nějaké bližší galaxie.
Pokud jde o ten rozdíl 13,4 versus 33,3, tak ano, tady to odpovídá dost přesně tomu zvětšení kosmu. Ono to taky koresponduje s tím, že současná velikost pozorovatelného vesmíru není 27 miliard světelných let, ale cca 93 miliard světelných let. To vše samozřejmě za předpokladu, že je správně Lambda-CDM model.
V daném případě je podle mého názoru rozumnější, v souhlase s Vítězslavem Škorpíkem, udávat vzdálenost, kterou uletí světlo. Prvním důvodem je, že se to takto běžně dělá v odborných i popularizačních textech. Vědci i čtenáři jsou na to zvyklí. Je to srozumitelné i tradiční. Druhým a možná důležitějším důvodem je, že druhá vzdálenost, která je odhadem současné vzdálenosti objektů, je mnohem více závislá na použitém kosmologickém modelu (v diskuzi zmíněná vzdálenost pochází z LamdaCDM modelu).
Ještě možná odkaz na populární článeček o této problematice. Použil jsem tam i den graf pro obě vzdálenosti z wikiny 🙂
https://www.osel.cz/12749-pozorovani-velmi-masivnich-galaxii-kratce-po-velkem-tresku-meni-pohled-na-jejich-evoluci.html
Jo, ten graf ve Vašem článku je moc pěkný. Díky za něj.
A ano, lidé jsou zvyklí na ty uváděné hodnoty, to jsem jsem snažil neobratně naznačit, ale moc mi to nešlo. 🙂 A jistě, poznámka se správností Lambda-CDM je taky velmi správná. Ještě jednou děkuji.
Není zač. Já děkuji za pěkné články nejen Webbově teleskopu.
Moc děkuji za milá slova. Od Vás to obzvláště potěší.
Sice toto není autorita:
https://en.wikipedia.org/wiki/CEERS-93316
redshift: 4.912±0.001
https://arxiv.org/abs/2303.15431
Mně spíše těší věta „Určitě nás však na poli kosmologie čeká v příštích desetiletích ještě spousta zásadních objevů,…“
protože se máme na co těšit.
Děkuji za článek!
Máte pravdu, pro CEERS-93316 je rudý posuv skutečně 4,9. Dokonce jsem i přišel na to, kde jsem vzal špatnou hodnotu 4,6. Opravím to.
Pokud jde o další kosmologické výzkumy, na ty se velmi těším z důvodu vědeckého poznání a současně netěším. Protože je mi jasné, že bude zase spousta lidí, kteří v tom budou mít jasno více, než odborníci na kosmologii.
Děkuji za článek. Předpokládám, že spektroskopické měření galaxie CEERS-93316 snížilo hodnotu rudého posuvu na 14,6, ne na 4.6.
Nikoliv, hodnota 4,6 je správně. Tedy ta kterou má galaxie CEERS-93316.
Kdyby to bylo 14,6 tak by to ani nestálo za zmínku a hlavně by tento článek nevyšel. Pořád by to byla nejvzdálenější galaxie. Pak by nemělo smysl psát speciálně o GLASS-z12.
Ještě doplňuji. Správně je 4,91. Ale 14,6 ani 14,9 skutečně ne.