Jak odległa jest ta galaktyka?
W grudniu 2022 roku astronomowie potwierdzili odkrycie jednej z najbardziej odległych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Słaby sygnał radiowy pochwycony przez ALMA rozpoczął swoją podróż do nas, gdy Wszechświat miał mniej niż 360 milionów lat. Jest to niezwykle odległa galaktyka, ale jak daleko jest naprawdę? Odpowiedź jest nieco skomplikowana i zależy od tego, co rozumiemy przez odległość.
Galaktyki w Kwintecie Stefana.
Źródło: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team
Astronomowie nie mogą bezpośrednio zmierzyć odległości galaktyk oddalonych o miliardy lat świetlnych. Zamiast tego mierzy się tak zwane przesunięcie ku czerwieni (z). W tym przypadku zespół zmierzył szczególną długość fali światła emitowanego przez tlen, znaną jako OIII. Kiedy obserwujemy linię emisyjną OIII w laboratorium tu na Ziemi, ma ona długość fali 88 mikrometrów. Linia OIII obserwowana przez ALMA w tej konkretnej galaktyce była znacznie dłuższa, około 1160 mikrometrów. Ponieważ czerwone światło ma większą długość fali niż niebieskie, mówimy, że obserwowana linia OIII jest przesunięta ku czerwieni. Biorąc pod uwagę te dwie liczby, obliczenie z jest łatwe. Jest to po prostu względne przesunięcie ku czerwieni obserwowanego światła, więc z = (1160-88)/88 = 12,2 Im większe z, tym większe przesunięcie ku czerwieni, a z = 12,2 jest największym do tej pory potwierdzonym przesunięciem ku czerwieni galaktyki.
Drugi sposób, w jaki może wystąpić przesunięcie ku czerwieni, to kosmiczna ekspansja. Wszechświat się rozszerza, a to oznacza, że gdy światło podróżuje do nas z odległej galaktyki, jego długość fali jest rozciągana przez rozszerzanie się przestrzeni. Im dłużej światło podróżuje, tym bardziej jest rozciągnięte, a więc tym bardziej jest przesunięte ku czerwieni. Zjawisko to znane jest jako kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni. W przypadku odległych galaktyk prawie całe przesunięcie ku czerwieni, które obserwujemy, jest kosmologiczne. W ten sposób wiemy, że galaktyki o wysokim przesunięciu ku czerwieni, takie jak ta, znajdują się bardzo, bardzo daleko.
Ale to wciąż nie mówi nam o konkretnej odległości. Aby to ustalić, musimy przyjrzeć się, jak Wszechświat rozszerza się w czasie. W tej chwili istnieje trochę niepewności co do tempa kosmicznej ekspansji, znanego jako parametr Hubble’a. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła wykonane przez misję Planck dały wartość około 68 (km/s)/Mpc, podczas gdy obserwacje teleskopu Hubble’a i sondy Gaia dały wyższą wartość około 72 (km/s)/Mpc. Im większa wartość tym szybciej Wszechświat się rozszerza i tym bardziej odległe są galaktyki. Jeżeli wybierzemy średnią wartość stałej 70 (km/s)/Mpc, możemy obliczyć rozsądną odległość za pomocą ogólnej teorii względności, ale nawet wtedy nasza odpowiedź będzie zależała od tego, jak zdefiniujemy odległość.
Jedną z definicji byłoby pytanie, jak długo światło podróżowało z galaktyki do nas. Jest to znane jako czas podróży światła i okazuje się, że wynosi około 13,1 miliarda lat. Ponieważ Wszechświat ma około 13,46 miliarda lat (na podstawie wybranego przez nas parametru), oznacza to, że światło opuściło galaktykę, gdy Wszechświat miał około 360 milionów lat. Ta definicja jest przydatna dla astronomów, ponieważ odległe galaktyki mówią nam o wczesnym Wszechświecie. Znajomość miejsca galaktyki w historii jest ważniejsza niż jej odległość.
Skoro światło podróżowało przez 13,1 miliarda lat, czy oznacza to, że galaktyka jest oddalona o 13,1 miliarda lat świetlnych? Nie do końca. Ze względu na kosmiczną ekspansję światło podróżowało znacznie dłużej, niż miałoby to miejsce, gdyby Wszechświat się nie rozszerzał. Galaktyka była bliżej nas, gdy światło zaczęło swoją podróż. O wiele bliżej. Jeżeli obliczymy, jak daleko galaktyka była od nas 13,1 miliarda lat temu, otrzymamy 2,4 miliarda lat świetlnych. Tak więc ta galaktyka znajdowała się zaledwie 2,4 miliarda lat świetlnych od nas, ale Wszechświat rozszerzył się tak bardzo, że jej światło potrzebowało 13,1 miliarda lat świetlnych, aby do nas dotrzeć.
Oczywiście prawdopodobnie chcesz wiedzieć, jak daleko jest teraz galaktyka. Jasne, galaktyka była oddalona od nas o 2,4 miliarda lat świetlnych, ale kiedy światło zaczęło zmierzać w naszą stronę, galaktyka nadal oddalała się od nas z powodu stale powiększającego się Wszechświata. Więc gdzie jest teraz galaktyka? Jeżeli wykonasz obliczenia, okaże się, że galaktyka jest teraz oddalona o około 32 miliardy lat świetlnych. Ale chwileczkę? Jak możemy zobaczyć galaktykę oddaloną o 32 miliardy lat świetlnych, jeżeli Wszechświat ma mniej niż 14 miliardów lat? Odpowiedź brzmi: nie możemy. Widok ALMA na galaktykę pokazuje, jak wyglądała, gdy znajdowała się zaledwie 2,4 miliarda lat świetlnych stąd. Nigdy nie będziemy mogli zobaczyć, jak galaktyka wygląda teraz. Jest ona zbyt daleko, a Wszechświat rozszerza się zbyt szybko, aby to światło mogło do nas dotrzeć. Widzimy jedynie optyczne echo tego, gdzie była i jak wyglądała kiedyś.
Wszystko to jest na tyle dziwne, by zawiązać mózg na supeł. To właśnie dlatego astronomowie skupiają się na przesunięciu ku czerwieni i dlatego zwykle mówimy o tym, ile Wszechświat miał lat, kiedy światło galaktyki rozpoczęło swoją podróż. To wystarczy, aby powiedzieć nam, że galaktyka jest daleko i widziana od dawna. Tak dawno i tak daleko, że jej odległość jest trudna do określenia.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
