Czy HD1, najdalsza znana nam galaktyka, na pewno znajduje się 13,5 miliarda lat świetlnych od nas?

Ostatnio namnożyło się nam odkryć w klasy „naj”. Dołącza do nich odkrycie najdalszej galaktyki. Nie jest to proste zadanie. Taka galaktyka bowiem nie jest tak dobrze widoczna, by rozróżnić w niej poszczególne elementy struktury, a co dopiero pojedyncze gwiazdy.

Wiek i odległość galaktyki HD1 wywnioskowano z obserwacji promieniowania elektromagnetycznego

Niemniej, silny strumień promieniowania ultrafioletowego z obiektu HD1 daje się zinterpretować jako bardzo aktywne procesy gwiazdotwórcze. Wynikałoby z nich, że HD1 tworzy, a raczej tworzyła w momencie gdy wyemitowane było światło, które do nas właśnie dotarło, gwiazdy z tempie 100 na rok. To dziesięciokrotnie za duże tempo jak na taki obiekt.

Mapa czasu, czyli położenie najdalszej galaktyki na linii pokazującej historię kosmosu. Redshift podany w górnej części wykresu to tak zwane poczerwienienie barwy światła, które ma związek z rozszerzaniem się Wszechświata. Nie jest to jak widać wartość zmieniająca się liniowo

Owszem, o procesach gwiazdotwórczych nie wiemy pewnie jeszcze wszystkiego, ale bardziej prawdopodobne jest inne wyjaśnienie. To odległa galaktyka, w której powstają jedne z pierwszych w historii Wszechświata gwiazdy. To gwiazdy tak zwanej Populacji III, czyli powstające z pierwotnej kosmicznej zupy, w której występował tylko wodór i hel. Na dodatek takie gwiazdy powinny być bardzo masywne, jasne w ultrafiolecie jak sugerują to obserwacje, by szybko przetworzyć materię i wzbogacić początkowy skład materii o cięższe pierwiastki. Nasze Słońce to gwiazda Populacji I, czyli bogata w metale, pierwiastki cięższe niż Hel. Materia niezbędna dla jego powstania powstała z kolei we wnętrzach gwiazd Populacji II, następców gwiazd Populacji III.

Galaktyka HD1 taka jaką była 300 milionów po powstaniu Wszechświata (fot: Harikane et al.)

Jest jeszcze inne wyjaśnienie ogromnej jasności HD1, a jest nim supermasywna czarna dziura, która ma masę rzędu 100 milionów mas Słońca. Jeśli tak byłoby faktycznie, HD1 byłaby zarazem najdalsza galaktyką jak i lokalizacją najodleglejszej znanej nam czarnej dziury.

Wróćmy do kwestii odległości. Choć 13,5 miliarda lat świetlnych to bardzo dużo, nie jest to znacząco więcej niż odległość dotychczasowego rekordzisty GN-z11. Galaktyki „tylko” 100 milionów lat świetlnych bliższej nam. Lecz epoka w której istniały te galaktyki, jeszcze przed rejonizacją materii, jest tak odległa, że przesuniecie rekordu o 100 milionów lat świetlnych to bardzo trudne zadanie. Weryfikacja dystansu dokonana została przez sieć radioteleskopów ALMA w Chile. W przyszłości teleskop Webb podejmie się kolejnych obserwacji, które pomogą potwierdzić faktyczną odległość HD1.

Dotychczasowy rekordzista w rankingu najodleglejszych obiektów, czyli GN-z11

Galaktyka HD1 ma 13,5 miliarda lat, bo tyle lat świetlnych pokonało światło w drodze do naszych teleskopów

No właśnie, odległości. Wszędzie słyszymy, HD1, czyli galaktyka odległa o 13,5 miliarda lat świetlnych. Czy jednak jest to prawidłowe sformułowanie? Wszystko zależy od tego jak interpretujemy odległość w skalach kosmologicznych.

Prawdą jest bowiem, że światło potrzebowało 13,5 miliarda lat, by dotrzeć do Ziemi. Jednak w momencie gdy zostało ono wyemitowane Ziemia, a nawet Droga Mleczna jeszcze nie istniały, a dziś, gdybyśmy zechcieli wysłać sygnał zwrotny, potrzebowałby on znacznie więcej niż 13,5 miliarda lat by dotrzeć do HD1, czy też tego w co się przekształciła ta galaktyka przez tak długi czas.

Tak naprawdę, to nie galaktyka HD1 jest w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych, a jej obraz, który dziś obserwujemy. Ponieważ uwzględnianie rozszerzania się Wszechświata jest kłopotliwe, podawanie odległości, z której wynika faktyczny wiek obiektu, jest jak najbardziej uzasadnione

Dlaczego? Wszechświat nie jest tworem statycznym, wedle obecnego stanu wiedzy rozszerza się, a to oznacza, że z czasem odległości pomiędzy obiektami w skrajnych odległościach rosną. Owszem taka Galaktyka Andromedy pod wpływem grawitacji zbliża się do Drogi Mlecznej, ale układ tych dwóch galaktyk, oddala się od innych obiektów, które nie są z nimi grawitacyjnie związane. Zdefiniowanie takiego układu nie jest proste, bo Gromada Lokalna, czyli połączona grawitacyjnie grupa kilkudziesięciu galaktyk z Drogą Mleczną i Galaktyką Andromedy na czele, jest z kolei częścią większej supergromady Laniakea, w której skład wchodzą inne takie lokalne gromady.

Związek właściwej odległości z wiekiem galaktyk jest trochę bardziej skomplikowany

Dlatego, choć światło musiało podróżować od HD1 13,5 miliarda lat i faktycznie przebyło taki dystans w latach świetlnych w tym czasie, to w odległym o 13,5 miliarda lat świetlnych miejscu, odległości w której dziś widzimy galaktykę HD1, jej już nie znajdziemy.

Jest ona już znacznie dalej od Ziemi, Słońca, Drogi Mlecznej. Zgodnie z takim rozumowaniem Wszechświat, który wedle obliczeń ma 13,8 miliarda lat, wcale nie ma rozmiaru 13,8 miliarda lat świetlnych. Co więcej, ze względu na ograniczona prędkość światła i fakt, że w epoce inflacji Wszechświat wzrastał szybciej niż ta prędkość, nie jesteśmy w stanie dojrzeć tych jego części, które leżą dalej niż odległość jaką światło jest zdolne pokonać w czasie istnienia Wszechświata.

Gdy Wszechświat stanie się starszy, galaktyka HD1 też stanie się starsza, a my będziemy mogli zobaczyć jeszcze dalsze niż HD1 obiekty, jednakże już niewiele starsze niż HD1 z perspektywy czasu.

Rozmiar obserwowalnego Wszechświata to dziś około 93 miliardów lat świetlnych

Realna odległość galaktyki HD1 w momencie czytania przez was tego tekstu, to około 33,4 miliarda lat świetlnych

To zamieszanie z odległościami wiąże się z faktem, że często zapominamy iż docierające do nas światło pokazuje Wszechświat w przeróżnych momentach czasu. Centrum Galaktyki widzimy takim jakim było 26 tysięcy lat temu, Wielki Obłok Magellana objawia nam swój obraz sprzed 150 tysięcy lat, galaktyka Andromedy sprzed 2,5 miliona lat. Ba nawet obraz Słońca pochodzi sprzed 8 minut podobnie jak obrazy powierzchni planet widziane przez teleskop, czy też gołym okiem. To wszystko jest niesamowite, a zarazem przerażające, gdy sobie uzmysłowimy, że to co jest bardzo daleko jest jednocześnie widoczne w różnych momentach swojej egzystencji.

Źródło: Harvard University, inf.własna