W grudniu 2022 roku astronomowie potwierdzili odkrycie jednej z najbardziej odległych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Słaby sygnał radiowy wychwycony przez sieć anten ALMA rozpoczął podróż do nas, gdy Wszechświat miał mniej niż 360 milionów lat. To niezwykle odległa galaktyka, ale jak daleko jest naprawdę? Odpowiedź jest skomplikowana i zależy od tego, co rozumiemy przez odległość.
Astronomowie nie mogą bezpośrednio zmierzyć odległości od Ziemi do 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 na Ziemi, ma ona długość fali równą 88 mikrometrom. Linia OIII obserwowana przez ALMA w tej konkretnej galaktyce była znacznie dłuższa i wynosiła 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 wartości 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 jakiejkolwiek znanej 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 omawiana w tym artykule, znajdują się bardzo, bardzo daleko – tyle że to wciąż nie mówi nam o konkretnej odległości.
Aby to ustalić, musimy przyjrzeć się, jak Wszechświat rozszerza się w czasie. Badacze wciąż nie są pewni, jaki jest tempo kosmicznej ekspansji, czyli parametr Hubble’a. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła wykonane przez misję Planck wykazały wartość około 68 (km/s)/Mpc, podczas gdy obserwacje teleskopu Hubble’a i sondy Gaia – około 72 (km/s)/Mpc. Im większa wartość parametru Hubble'a, 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 danej galaktyki do nas, czyli tzw. czas podróży światła. Okazuje się, że w omawianym przypadku wynosi około 13,1 miliarda lat. Ponieważ Wszechświat ma około 13,46 miliarda lat (co wiemy na podstawie wybranego przez nas parametru), oznacza to, że światło opuściło wspomnianą galaktykę, gdy Wszechświat miał około 360 milionów lat. Ta definicja jest przydatna dla astronomów, ponieważ odległe galaktyki mówią nam wiele o wczesnym Wszechświecie. Znajomość miejsca takiej galaktyki w historii jest ważniejsza niż jej odległość.
Skoro światło podróżowało przez 13,1 miliarda lat, to czy ta galaktyka jest oddalona o 13,1 miliarda lat świetlnych od Ziemi? Nie do końca. Ze względu na kosmiczną ekspansję światło podróżowało znacznie dłużej, niż gdyby Wszechświat się nie rozszerzał. Omawiana galaktyka była bliżej nas, gdy wyemitowane przez nią światło zaczęło swoją podróż – o wiele bliżej. Jeżeli obliczymy, jak daleko była ona od nas 13,1 miliarda lat temu, otrzymamy 2,4 miliarda lat świetlnych. Tak więc ta galaktyka znajdowała się początkowo zaledwie 2,4 miliarda lat świetlnych od nas, ale Wszechświat rozszerzył się tak bardzo, że jej światło potrzebowało aż 13,1 miliarda lat świetlnych, aby do nas dotrzeć.
Oczywiście chcemy też wiedzieć, jak daleko galaktyka ta jest teraz. Odpowiedź na podstawie obliczeń brzmi: 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? I tu odpowiedź brzmi: nie możemy. ALMA pokazuje, jak wyglądała ona, gdy znajdowała się ona w odległości zaledwie 2,4 miliarda lat świetlnych stąd. Nigdy zatem nie będziemy mogli zobaczyć, jak ta galaktyka wygląda teraz. Jest ona zbyt daleko, a Wszechświat rozszerza się zbyt szybko, aby jej 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 wskazać, że galaktyka jest daleko i jest widziana jako dawna. Tak dawna i tak daleka, że nawet jej odległość od nas jest trudna do określenia.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: NRAO
Na ilustracji: Galaktyki w Kwintecie Stefana. Źródło: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team
