Die Grenze dessen, was Hubble sehen kann

Das mächtigste Teleskop der Geschichte wird niemals die am weitesten entfernte Galaxie sehen.

“Keine Ortsentfernung oder Zeitspanne kann die Freundschaft derer mindern, die gründlich vom Wert des anderen überzeugt sind.” – Robert Southey

Bei all dem, was das Hubble-Weltraumteleskop getan hat – einschließlich des wochenlangen Blicks auf einen leeren Himmel -, könnte man denken, dass es keine Begrenzung gibt, wie weit es sehen kann. Schließlich wird der scheinbar dunkle, leere Raum durch das Licht von Tausenden und Abertausenden von Galaxien beleuchtet, was zu dem Schluss führt, dass Hunderte von Milliarden von ihnen den gesamten Himmel überspannen.

Tatsächlich sind einige dieser Galaxien so schwach und weit entfernt, dass Hubble sie kaum sehen kann. Was Sie jedoch überraschen könnte, ist, dass es zwei Gründe gibt, warum Hubble nur begrenzt sichtbar ist, einen Grund, der offensichtlich ist, und einen Grund, der viel subtiler ist.

Für eine Weile ist dieser zweite Punkt tatsächlich eine gute Sache!

Sie sehen, wenn es um die jüngsten, heißesten und hellsten Sterne geht, ist das meiste Licht nicht das, was Menschen als sichtbar wahrnehmen: Es ist tatsächlich ultraviolett. Und wenn sich das Universum ausdehnt und die Galaxien weiter auseinander gehen, dehnt sich auch das Raumgefüge aus.

Dies bedeutet, dass Photonen, die einzelnen Lichtquanten, die in dieser Raumzeit existieren und von entfernten Sternen und Galaxien auf dem Weg zu unseren Augen emittiert werden, ebenfalls rot verschoben werden und ihre Wellenlängen durch die Ausdehnung des Universums selbst gedehnt werden.

Wenn wir eine helle, entfernte, rote Galaxie sehen, können wir ihre Rotverschiebung abschätzen, indem wir die relativen Helligkeiten von Farben in blauem, grünem, rotem und (nahem) Infrarotlicht betrachten Das ist nur gut für eine Schätzung. Wenn Sie die wahre Rotverschiebung – und damit die Entfernung – nach dem Hubble-Gesetz kennen möchten, müssen Sie etwas Bestimmtes messen.

Zum Glück ist die Physik der Atome und insbesondere der atomaren Übergänge überall im Universum gleich. Wenn Sie das Spektrum der Emissionslinien (oder der Absorption, abhängig von der Art der Galaxie) eines Objekts messen und die vorhandenen Elemente identifizieren können, können Sie auf sehr einfache Weise Folgendes berechnen:

In Bezug auf atomare Übergänge stammen die stärksten und am leichtesten sichtbaren Linien in einem Stern oder einer Galaxie von Wasserstoff, die entweder im ultravioletten (Lyman-Reihe), sichtbaren (Balmer-Reihe) oder infraroten ( die Paschen-Serie).

Aber diese Linien – und ihre Wellenlängen – werden im Restrahmen dieser Galaxien berechnet. Während sich das Universum ausdehnt, verschieben sich diese Wellenlängen enorm. Und der stärkste und am leichtesten identifizierbare Übergang, der Lyman-Alpha-Übergang, der normalerweise bei 121,567 Nanometern auftritt, kann unglaublich weit verschoben werden.

Die Formel für die beobachtete Wellenlänge? Nehmen Sie die Rest-Frame-Wellenlänge und multiplizieren Sie sie mit (1 + z ), wobei z die Rotverschiebung des Objekts ist. Oben zeigt die Lyman-Alpha-Linie bei fast 540 nm – grün gefärbtes Licht – eine Rotverschiebung von ungefähr 3,4 oder eine Entfernung von 22 Milliarden Lichtjahren, wobei das Licht von dem Zeitpunkt emittiert wird, als das Universum nur 1,9 Milliarden Jahre alt war, oder 13% seines aktuellen Alters.

Wenn Sie sich nun die neueste und beste Kamera auf Hubble ansehen, die Wide Field Camera 3 (WFC3), können die mittleren und schmalen Filter ziemlich weit gehen: bis zu einem Maximum von fast 1700 Nanometern!

Auf dieser Grundlage könnten Sie also denken, dass wir theoretisch bis zu einer Rotverschiebung von 12 oder 13 und damit zu Zeiten sehen könnten, in denen das Universum nur 3% seines gegenwärtigen Alters betrug!

Leider würde dies auf der Annahme beruhen, dass wir diese Infrarotfilter verwendet verwendet haben, als wir diese tiefen Beobachtungen gemacht haben: Wir haben es nicht getan. Wir verwendeten Weitfeldbänder (um das meiste Licht zu sammeln) und die längsten Wellenlängen, zu denen wir gingen, betrugen ungefähr 850 (Rand auf ungefähr 900) Nanometer.

Wenn wir so tief wie möglich gehen, obwohl wir Objekte nicht mit der gleichen Auflösung oder Ohnmacht wie Hubble erreichen können, ist es oft besser, dedizierte Infrarot-Weltraumteleskope wie Spitzer zu verwenden!

Wir müssen dann die Spektren dieser Kandidaten mit Nachbeobachtungen von Teleskopen der 8- bis 10-Meter-Klasse am Boden bestätigen. Lange Zeit sah es so aus, als wäre die Galaxie UDFj-39546284 der Rekordhalter mit einer erstaunlichen Rotverschiebung von 11,9 ! Aber wie Sie vielleicht vermutet haben, wäre eine solche Galaxie für Hubble völlig unsichtbar. Wie Follow-up-Beobachtungen zeigten, gab es falsche Emissionslinien von einem Eindringling mit niedriger Rotverschiebung, die die Ergebnisse verfälschten.

Aber ab heute haben wir einen neuen bestätigten Rekordhalter!

Begrüßen Sie die Galaxie EGS-zs8–1 mit einer neuen Rotverschiebung von 7,7 , der höchsten bestätigten Rotverschiebung für eine solche Galaxie. Mit Zahlen wie diesen war das Universum nur 660 Millionen Jahre alt, als Licht aus dieser Galaxie emittiert wurde, und es ist derzeit eine Entfernung von 29 Milliarden Lichtjahren entfernt, dem kosmischen Rekordhalter vorerst für die entfernteste Galaxie, die jemals entdeckt wurde.

Aber eine Galaxie wie diese untersucht wirklich die Grenze dessen, was Hubble erreichen kann. Die Lyman-Serie ändert sich nicht. Selbst wenn wir andere Zeilen in der Serie erhalten können (nahe der Lyman-Grenze), werden wir mit Hubble nicht viel über eine Rotverschiebung von 8 oder 9 hinausgehen. Schade, denn es kann Galaxien geben, die bis zu einer Rotverschiebung von 15 oder 20 reichen!

Aber es gibt Hoffnung.

Während Hubble Schwierigkeiten hat, Wellenlängen von bis zu einem Mikron zu erreichen, erreicht das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) mit einer besseren Empfindlichkeit als alles andere bis zu 30 Mikrometer , mit besserer Auflösung und etwa der sechsfachen Lichtsammelkraft von Hubble!

Mit etwas Glück können wir zum ersten Mal nicht entdecken, was die am weitesten entfernten Galaxien bis an die Grenzen unserer aktuellen Teleskoptechnologie sind, sondern die am weitesten entfernten Galaxien finden, die das Universum zu bieten hat. So großartig Hubble auch ist, es hat von Natur aus seine Grenzen. Bis zur Super-Langwellen-Radioastronomie werden wir mit JWST die am weitesten entfernten Galaxien finden und in nur drei Jahren damit beginnen können.

Ich kann es kaum erwarten. Endlich sind wir bereit, den letzten Schleier des Unbekannten im sichtbaren Universum abzuziehen. Es ist an der Zeit.

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