Galaktyki

w m∏odym WszechÊwiecie

Porównujàc odleg∏e pierwotne galaktyki ze starszymi, po∏o˝onymi bli˝ej nas,

astronomowie majà nadziej´ wyjaÊniç, jak one powstajà i ewoluujà

F. Duccio Macchetto i Mark Dickinson

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997 61

W

ciàgu ostatniego stulecia
wraz ze wzrostem mo˝liwo-
Êci astronomii obserwacyjnej

nasze wyobra˝enia o WszechÊwiecie
uleg∏y radykalnym zmianom. Pionier-
skie prace Edwina Hubble’a w latach
dwudziestych doprowadzi∏y do poglà-
du, ˝e WszechÊwiat narodzi∏ si´ w Wiel-
kim Wybuchu i od tamtej pory ciàgle
si´ rozszerza. Póêniejsze badania po-
zwoli∏y odkryç, ˝e wraz z up∏ywem cza-
su WszechÊwiat zmienia si´ tak˝e pod
innymi wzgl´dami. Poczàtkowo wype∏-
niony by∏ niezwykle goràcà, g´stà i nie-
mal jednorodnie roz∏o˝onà materià. Te-
raz jest stosunkowo pusty. Materia,
którà obserwujà astronomowie, spoglà-
dajàc na miliony lat Êwietlnych w g∏àb
WszechÊwiata, zgrupowana jest w od-
dzielne galaktyki. Jak dosz∏o do tego
przeobra˝enia i w jaki sposób uformo-
wa∏y si´ galaktyki – to g∏ówne problemy
dzisiejszej kosmologii.

Wiele wysi∏ku w∏o˝ono w badanie

pobliskich galaktyk, b´dàcych efektem
trwajàcej oko∏o 10 mld lat ewolucji. Jed-
nak w ostatnich latach olbrzymi post´p
dokona∏ si´ tak˝e w badaniach galak-
tyk znajdujàcych si´ na kosmologicz-
nych odleg∏oÊciach, czyli takich, które
istnia∏y ju˝ w czasach m∏odoÊci Wszech-
Êwiata. Dzi´ki skoƒczonej pr´dkoÊci
Êwiat∏a astronomowie, spoglàdajàc na
du˝e odleg∏oÊci, podró˝ujà w czasie
i mogà podglàdaç bezpoÊrednio prze-
sz∏oÊç WszechÊwiata. Âwiat∏o najdal-
szych obserwowanych galaktyk opuÊci-
∏o je, gdy WszechÊwiat nie mia∏ jeszcze

1

/

5

swojego obecnego wieku. Pos∏ugu-

jàc si´ nowymi instrumentami i techni-
kami, mamy nadziej´ zobaczyç odleg∏e,
„pierwotne” galaktyki w trakcie powsta-
wania i przeÊledziç ich ewolucj´ do dnia
dzisiejszego.

OczywiÊcie nie jest to ∏atwe. M∏ode

galaktyki znajdujà si´ tak daleko, ˝e na-
wet gdy obserwujemy je przez najsil-
niejsze teleskopy, wydajà si´ ma∏e i s∏a-
be. Galaktyka o rozmiarach naszej Drogi
Mlecznej z czasów, gdy WszechÊwiat
mia∏ o po∏ow´ mniej lat, zajmowa∏aby
na niebie obszar o rozmiarach zaledwie
kilku sekund ∏uku. Oglàdajàc takà ga-
laktyk´ za pomocà znajdujàcego si´ na
powierzchni Ziemi teleskopu, nawet
w doskona∏ych warunkach nie mogli-
byÊmy rozró˝niç szczegó∏ów jej budo-
wy. Cz´sto kosmologowie potrafià naj-
wy˝ej odró˝niç odleg∏e galaktyki od

s∏abych gwiazd. W ostatnich latach jed-
nak uzyskiwanie szczegó∏owych obra-
zów odleg∏ego WszechÊwiata sta∏o si´
mo˝liwe dzi´ki Kosmicznemu Telesko-
powi Hubble’a, który zawdzi´cza swà
niezwykle du˝à rozdzielczoÊç temu, ˝e
zosta∏ umieszczony ponad atmosferà
ziemskà.

Teleskop Hubble’a pozwala realizowaç

wiele programów badawczych poÊwi´-
conych monitorowaniu m∏odych galak-
tyk, ale jeden zajmuje wÊród nich szcze-
gólne miejsce. W grudniu 1995 roku
Hubble skierowany zosta∏ na niepozor-
ny fragment nieba o rozmiarach

1

/

140

tarczy Ksi´˝yca w pobli˝u Wielkiego
Wozu. Wybór tego miejsca podyktowa-
ny by∏ mo˝liwoÊcià spojrzenia daleko
poza naszà Galaktyk´, a jednoczeÊnie
gwarantowa∏ odpowiednie ustawienie
teleskopu na orbicie. W ciàgu dziesi´-
ciu dni teleskop wykona∏ setki zdj´ç
przez cztery filtry, obejmujàc zakres
widmowy od bliskiego ultrafioletu do
bliskiej podczerwieni. Zdj´cia te, znane
jako obserwacje G∏´bokiego Pola Hub-
ble’a (GPH), dostarczajà najlepszego,
jak dotàd, obrazu odleg∏ego Wszech-
Êwiata. (W j´zyku astronomicznym „g∏´-
boki” odnosi si´ zarówno do s∏aboÊci
obiektu, jak i do odleg∏oÊci.)

Na zdj´ciach GPH znaleziono oko∏o

3000 s∏abych galaktyk o zadziwiajàcej
ró˝norodnoÊci kszta∏tów i barw. Wiele
z nich to obiekty miliard razy s∏absze
od tego, co mo˝emy dojrzeç na niebie
go∏ym okiem. Przed astronomami sta-
je teraz zadanie zinterpretowania tych
dwuwymiarowych obrazów czterowy-
miarowego WszechÊwiata. Wszystko,
co obserwujemy wzd∏u˝ linii wzroku –
zarówno obiekty bliskie, jak i dalekie,
m∏ode i stare – rzutowane jest na sfer´
niebieskà. Musimy nie tylko zidentyfi-
kowaç w tej mieszaninie pierwotne ga-
laktyki, ale tak˝e porównaç ich cechy
z cechami starszych galaktyk znajdujà-
cych si´ w pobli˝u i na poÊrednich od-
leg∏oÊciach. W ten sposób mamy na-
dziej´ zbadaç, w jaki sposób galaktyki
powstajà i ewoluujà.

Na podstawie rozmiaru lub jasnoÊci

galaktyki nie jest ∏atwo okreÊliç jej wiek.
S∏abe obiekty w pobli˝u nas i jasne po-
∏o˝one dalej mogà wyglàdaç bardzo po-
dobnie. Istniejà jednak inne sposoby
wyznaczania wieku galaktyk. Mo˝na
na przyk∏ad skorzystaç z faktu, ˝e
w wyniku ciàg∏ego rozszerzania si´

WszechÊwiata odleg∏oÊç do galaktyki
jest proporcjonalna do pr´dkoÊci jej ru-
chu wzgl´dem nas. Ta ucieczka galakty-
ki powoduje przesuni´cie Dopplera
w widmie wysy∏anego przez nià Êwia-
t∏a. W wyniku tego charakterystyczne
cechy widma przesuni´te sà w kierun-
ku d∏u˝szych, bardziej czerwonych fal.
To przesuni´cie ku czerwieni, oznacza-
ne jako z, pozwala okreÊliç odleg∏oÊç ga-
laktyki oraz jej wiek.

Przesuni´cie ku czerwieni pozwala

mierzyç up∏yw czasu kosmicznej histo-
rii: wi´ksze wartoÊci z odpowiadajà
wczeÊniejszym epokom, gdy Wszech-
Êwiat by∏ m∏odszy, mniejszy i g´stszy.
Od czasu odpowiadajàcego danej
wartoÊci przesuni´cia ku czerwieni z
WszechÊwiat rozszerzy∏ si´ o czynnik
(1+z). Zale˝noÊç mi´dzy z a wiekiem
jest bardziej skomplikowana, ale w
przybli˝eniu mo˝na przyjàç, ˝e przy
przesuni´ciu ku czerwieni równym z
WszechÊwiat liczy∏ najwy˝ej

1

/

(1+z)

swojego obecnego wieku. A zatem przy
przesuni´ciu ku czerwieni równym 1
WszechÊwiat by∏ co najmniej o po∏ow´
m∏odszy ni˝ dzisiaj, natomiast przy
z równym 3 – cztery, a mo˝e nawet
osiem razy m∏odszy.

W wyniku zakrojonych na szerokà

skal´ pomiarów przesuni´ç ku czerwie-
ni uda∏o si´ do tej pory wyznaczyç od-
leg∏oÊci do tysi´cy s∏abych galaktyk, a˝
do z =1, co stanowi maksymalnà g∏´bo-
koÊç obecnych katalogów. Uzyskane za
pomocà Teleskopu Hubble’a obrazy po-
zwalajà klasyfikowaç te galaktyki, po-
równywaç je z pobliskimi i wniosko-
waç, na jakim etapie ewolucyjnym si´

OBSERWACJE G¸¢BOKIEGO POLA HUBBLE’A (GPH) (zdj´cie z lewej) stanowià naj-
lepsze dost´pne obecnie obrazy odleg∏ego WszechÊwiata. Aby je uzyskaç, w grudniu 1995
roku badacze skierowali umieszczony na orbicie teleskop na 10 dni na niewielki fragment
nieba o rozmiarach

1

/

140

rozmiarów Ksi´˝yca w pe∏ni, w pobli˝u Wielkiego Wozu (rysunek

z prawej). Astronomowie majà nadziej´, ˝e badajàc s∏abe, pierwotne oraz starsze galakty-
ki, dowiedzà si´, w jaki sposób ewoluujà te obiekty.

NASA; ROBERT WILLIAMS i

zespó∏ GPH

Space Telescope Science Institute

BRYAN CHRISTIE

znajdujà. Wyglàda na to, ˝e wiele z tych
galaktyk mia∏o stosunkowo spokojnà
przesz∏oÊç: na zdj´ciach widaç jasne
obiekty o spiralnych lub eliptycznych
kszta∏tach, ca∏kiem podobne do tych,
które widzimy w pobli˝u, co najmniej
do przesuni´ç ku czerwieni równych 1.
Wydaje si´, ˝e te zwyczajnie wyglàdajà-
ce galaktyki ju˝ stosunkowo wczeÊnie
wyst´powa∏y w iloÊciach porównywal-
nych do obecnych. Wnioskujemy stàd,
˝e wiele galaktyk pozostawa∏o mniej

wi´cej w takim samym stanie przez mi-
liardy lat.

Jednak katalogi przesuni´ç ku czer-

wieni i zdj´cia uzyskane dzi´ki Telesko-
powi Hubble’a wskazujà równie˝, ˝e wie-
le galaktyk przechodzi∏o dramatyczne
zmiany. JeÊli zrobimy proste çwiczenie
i policzymy galaktyki na niebie, oka˝e
si´, ˝e galaktyk s∏abych jest znacznie
wi´cej, ni˝ nale˝a∏oby si´ spodziewaç.
Na podstawie obecnie dost´pnych ob-
serwacji mo˝emy stwierdziç, ˝e jest ich

przynajmniej 10 razy wi´cej ni˝ w bli-
skim nam obszarze WszechÊwiata. Nie-
bieskie zabarwienie Êwiat∏a tych galak-
tyk oraz silne linie emisyjne obser-
wowane w ich widmach Êwiadczà, ˝e
w porównaniu z dzisiejszymi galakty-
kami o wiele szybciej tworzy∏y one
gwiazdy, dzi´ki czemu sà jaÊniejsze i ∏a-
twiejsze do skatalogowania.

Ponadto liczne z tych galaktyk majà

nieregularne, skomplikowane kszta∏ty,
co wskazuje na to, ˝e dawniej po-

wszechne by∏y oddzia∏ywania mi´dzy
galaktykami, a mo˝e nawet ich ∏àcze-
nie. Chocia˝ nieregularne i oddzia∏ujà-
ce ze sobà galaktyki mo˝na równie˝
znaleêç w pobli˝u nas, wydaje si´, ˝e
w okresie m∏odoÊci WszechÊwiata by∏y
one znacznie liczniejsze. W najdalszych
obszarach GPH wÊród galaktyk domi-
nujà niezwykle zwarte obiekty, których
szczegó∏y sà ledwie widoczne nawet
przez tak dok∏adny instrument jak Tele-
skop Hubble’a. Na podstawie tych da-
nych astronomowie wywnioskowali, ˝e
Êrednie tempo powstawania gwiazd we
WszechÊwiecie znacznie si´ obni˝y∏o
w drugiej po∏owie historii WszechÊwia-
ta i ˝e najcz´Êciej proces ten zachodzi∏
w galaktykach nieregularnych.

Nie jest jeszcze jasne, jakie fizyczne

mechanizmy nap´dzajà t´ ewolucj´
i gdzie si´ podzia∏y istniejàce niegdyÊ
galaktyki. Mo˝liwe, ˝e cz´stoÊç ich od-
dzia∏ywaƒ by∏a wi´ksza tylko dlatego,
˝e WszechÊwiat by∏ w przesz∏oÊci mniej-
szy i galaktyki znajdowa∏y si´ bli˝ej sie-
bie. Cz´ste oddzia∏ywania galaktyk mo-
g∏y przyspieszaç powstawanie gwiazd,
które obecnie widzimy. Prawdopodob-
ne jest te˝, ˝e m∏ode galaktyki wyczer-
pa∏y swój zapas gazu, przesta∏y tworzyç
gwiazdy i zblad∏y tak bardzo, ˝e sà
obecnie prawie niewidoczne. Niezale˝-
nie który ze scenariuszy jest prawdzi-
wy, odkrycia te dowodzà równie˝, ˝e
powstawanie „zwyk∏ych” galaktyk spi-
ralnych i eliptycznych ciàgle jeszcze
znajduje si´ poza zasi´giem wi´kszoÊci
katalogów przesuni´ç ku czerwieni, ga-
laktyki te wyst´pujà bowiem obficie
w ca∏ej przestrzeni a˝ do z =1. Chcàc
uzyskaç pe∏ny obraz historii powstawa-
nia galaktyk, astronomowie muszà wi´c
równie˝ poszukiwaç w naszym otocze-
niu pozosta∏oÊci znikajàcej populacji
„s∏abych niebieskich galaktyk”.

Nie uda∏o si´ jeszcze okreÊliç odleg∏o-

Êci wi´kszoÊci galaktyk zaobserwowa-
nych w GPH. Nie dociera do nas bo-
wiem od nich wystarczajàco du˝o
Êwiat∏a, aby mo˝na by∏o, nawet za po-
mocà najwi´kszych teleskopów, doko-
naç pomiaru ich przesuni´cia ku czer-
wieni. W zwiàzku z tym w poszuki-
waniach galaktyk le˝àcych dalej ni˝ z =1

astronomowie pos∏ugujà si´ innymi tech-
nikami. Jedna z nich polega na wyko-
rzystaniu jako mierników odleg∏oÊci da-
lekich obiektów, na przyk∏ad êróde∏
promieniowania radiowego. Niektóre
galaktyki wytwarzajà bardzo du˝o pro-
mieniowania w zakresie fal radiowych.
Przypuszcza si´, ˝e emisja ta pochodzi
z aktywnego jàdra wewnàtrz galaktyki,
takiego jak ukryty kwazar. Galaktyki ra-
diowe nie sà obecnie powszechne, ale
ich charakterystyczne promieniowanie
mo˝na zauwa˝yç z bardzo du˝ych odle-
g∏oÊci. Niektóre najjaÊniejsze êród∏a ra-
diowe na niebie znajdujà si´ na olbrzy-
mich odleg∏oÊciach, a ich przesuni´cia
ku czerwieni sà porównywalne z prze-
suni´ciami najdalszych kwazarów.

Co mówià galaktyki radiowe?

Silne êród∏a radiowe znajdujà si´ naj-

cz´Êciej w galaktykach eliptycznych,
które obecnie uwa˝a si´ za stosunkowo
stare. Mo˝liwe wi´c, ˝e odleg∏e galak-
tyki zawierajàce êród∏a radiowe da∏y
poczàtek dzisiejszym galaktykom elip-
tycznym. Jednak po bli˝szym przyjrze-
niu si´ odleg∏ym galaktykom radiowym
mo˝na stwierdziç, ˝e wykazujà one bar-
dzo niezwyk∏e cechy morfologiczne
i widmowe. Te dziwaczne i z∏o˝one for-
my widoczne sà na zdj´ciach uzyska-
nych przez Teleskop Hubble’a. Wyglàda
na to, ˝e silne êród∏o radiowe zmienia
wyglàd galaktyki, a nawet jej ewolucj´.
Niektóre galaktyki radiowe mogà rze-
czywiÊcie byç pierwotnymi galaktyka-
mi. Poniewa˝ sà tak nietypowe, ich w∏a-
snoÊci trudno obecnie zinterpretowaç.
Mo˝na zatem kwestionowaç przypusz-
czenie, ˝e by∏y one przodkami obecnie
istniejàcych normalnych galaktyk.

Na szcz´Êcie galaktyki sà towarzy-

skie i tam, gdzie znajduje si´ jednà, cz´-
sto czajà si´ tak˝e inne. Galaktyki radio-

we wyst´pujà niekiedy w gromadach,
otoczone przez wiele innych s∏abych
zwyk∏ych galaktyk. Za pomocà nowych
narz´dzi i technik obserwacyjnych uda-
∏o si´ znaleêç i zbadaç tych zwyczajnych
towarzyszy. Okaza∏o si´, ˝e bogate sku-
piska galaktyk istniejà wokó∏ êróde∏ ra-
diowych na odleg∏oÊciach odpowiada-
jàcych nawet z = 2.3, czyli pochodzà
z okresu, gdy WszechÊwiat by∏ oko∏o
trzech razy m∏odszy ni˝ obecnie. Nie-
które z tych odleg∏ych gromad badano
szczegó∏owo za pomocà Teleskopu Hub-
ble’a oraz tak wielkich teleskopów ziem-
skich, jak 10-metrowy teleskop Kecka
na Hawajach czy teleskopy rentgenow-
skie umieszczone na orbicie, na przy-
k∏ad na satelicie ROSAT.

Jedna z gromad, znajdujàca si´ wo-

kó∏ êród∏a radiowego 3C324 o przesu-
ni´ciu ku czerwieni 1.2, ma wiele wspól-
nych cech z bogatymi gromadami
w naszym pobli˝u. Zawiera goràcy gaz,
który Êwieci jasno w zakresie rentge-
nowskim. Na przyk∏adzie tej grupy mo-
˝emy si´ przekonaç, ˝e niektóre m∏ode
gromady galaktyk mia∏y niezwykle du-
˝à mas´, co stanowi niema∏y problem
dla teorii powstawania struktury we
WszechÊwiecie. Co wi´cej, gromada wo-
kó∏ 3C324 zawiera galaktyki niezwykle
podobne do olbrzymich galaktyk elip-
tycznych, które znajdujà si´ w pobli-
skich gromadach: wytwarzajà one du-
˝o Êwiat∏a czerwonego i majà proste
sferoidalne kszta∏ty. Jest to wskazów-
ka, ˝e gwiazdy w tych odleg∏ych galak-
tykach by∏y stare ju˝ wtedy, gdy wy-
sy∏a∏y Êwiat∏o, które obecnie obserwu-
jemy. Jasne jest wi´c, ˝e musia∏y po-
wstaç znacznie wczeÊniej, przy wi´k-
szym przesuni´ciu ku czerwieni, i tam
nale˝y poszukiwaç Êladów narodzin
gwiazd.

W∏asnoÊci tych galaktyk rozp´ta∏y

dyskusj´ nad wiekiem WszechÊwiata.

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997 63

GALAKTYKI NIEWIDOCZNE W ULTRAFIOLECIE cz´sto pojawiajà si´ na zdj´ciach
astronomicznych rejestrujàcych najdalsze g∏´bie WszechÊwiata. Gdy obserwuje si´ je przez
ró˝ne filtry, sà widoczne w Êwietle niebieskim, czerwonym i zielonym, lecz znikajà w bli-
skim ultrafiolecie. Wszechobecny w galaktykach i w przestrzeni mi´dzygalaktycznej wo-
dór absorbuje Êwiat∏o ultrafioletowe poni˝ej pewnej d∏ugoÊci fali.

SZCZEGÓ¸OWE OBRAZY GPH ukazujà
niezliczone galaktyki. Wszystko, co znaj-
duje si´ w zasi´gu wzroku – zarówno bli-
sko, jak i daleko, i niezale˝nie od wieku –
rzutowane jest na t´ samà p∏aszczyzn´ nie-
ba. W sumie na zdj´ciach G∏´bokiego Pola
Hubble’a znaleziono oko∏o 3000 s∏abych ga-
laktyk o niezwyk∏ych kszta∏tach i kolorach.
Znaczàca ich cz´Êç jest ponad miliard razy
s∏absza od najs∏abszego obiektu, który mo˝-
na dojrzeç go∏ym okiem.

NASA; ROBERT WILLIAMS i

GPH

STScI

Za zgodà MARKA DICKINSONA

Ostatnie próby wyznaczenia tempa roz-
szerzania si´ WszechÊwiata, zwanego
sta∏à Hubble’a, wskazujà, ˝e jest on
prawdopodobnie m∏odszy ni˝ dotàd
sàdzono. Z niektórych obserwacji wy-
nika, ˝e WszechÊwiat mo˝e nawet liczyç
mniej ni˝ 10 mld lat, a jednak w naszej
Drodze Mlecznej znajdujà si´ gwiazdy,
których wiek szacuje si´ na wi´cej ni˝
10 mld lat – co prowadzi do sprzeczno-
Êci, gdyby zarówno dane dotyczàce sta-
∏ej Hubble’a, jak i wieku gwiazd mia∏y
byç prawdziwe! JeÊli kosmologowie ma-
jà wierzyç, ˝e galaktyki eliptyczne w po-
bli˝u 3C324 by∏y stare ju˝ przy prze-
suni´ciu ku czerwieni równym 1.2,
problemy narastajà.

Polujàc na kwazary

W poszukiwaniach pierwotnych ga-

laktyk niektórym astronomom za latar-
nie s∏u˝à najjaÊniejsze obiekty we
WszechÊwiecie – kwazary. Biegnàce
w przestrzeni kosmicznej Êwiat∏o odle-
g∏ego kwazara napotyka, nim dotrze do
Ziemi, ob∏oki gazu, które zostawiajà
w jego widmie charakterystyczne Êlady
w postaci linii absorpcyjnych. Wi´kszoÊç
z tych linii widmowych jest doÊç s∏aba,
nale˝y wi´c przypuszczaç, ˝e wytwo-
rzone zosta∏y przez rozrzedzone gazy
nie majàce wiele wspólnego ze zwyczaj-
nymi galaktykami. Zdarzajà si´ jednak
równie˝ szerokie i g∏´bokie linie, któ-

rych obecnoÊç Êwiadczy o ca∏kowitej ab-
sorpcji promieniowania kwazara na tej
d∏ugoÊci fali. Oszacowane na ich pod-
stawie masy i rozmiary tych uk∏adów
wskazujà, ˝e wchodzà one w sk∏ad dys-
ków lub halo galaktyk.

Te silne linie absorpcyjne mo˝na ∏a-

two znaleêç przy przesuni´ciach ku
czerwieni równych 3 lub wi´cej, co
oznacza, ˝e w m∏odym WszechÊwiecie
musia∏y ju˝ istnieç galaktyki, które je
wytworzy∏y. Zgodnie z teorià m∏ode
galaktyki rodzà si´ z ob∏oków wodoru,
w których powstaje wiele niebieskich,
goràcych gwiazd. W procesie syntezy
jàdrowej kolejne pokolenia tych gwiazd
w ciàgu swojego krótkiego ˝ycia prze-
twarzajà wodór w ci´˝sze pierwiastki,
które astronomowie okreÊlajà wspól-
nym mianem „metali”. Pierwsze gwiaz-
dy wybuchajà nast´pnie jako super-
nowe, wzbogacajàc w metale okolicz-
ne ob∏oki gazu. W wyniku dzia∏ania fa-
li uderzeniowej i zag´szczania si´ ob-
∏oków gazowych rodzà si´ nowe poko-
lenia gwiazd.

Zgodnie z tym modelem typowe

widmo protogalaktyki zawiera g∏ów-
nie niebieskie Êwiat∏o gwiazd ze Êlada-
mi linii metali. Poza tym mogà w nim
wyst´powaç silne linie emisyjne alfa
z serii Lymana, wytwarzane przez du-
˝e iloÊci wodoru w wyniku podgrze-
wania przez goràce, niebieskie gwiazdy.
Poszukiwania linii emisyjnych alfa Ly-

mana pochodzàcych z m∏odych galak-
tyk o du˝ym przesuni´ciu ku czerwie-
ni prowadzono na szerokà skal´, ale do-
tàd znaleziono niewiele dobrych
przyk∏adów. Prawdopodobnie dlatego,
˝e promieniowanie to mo˝e byç ∏atwo
ponownie zaabsorbowane, zw∏aszcza
w obecnoÊci py∏u. Mechanizmy, które
prowadzà do wytwarzania metali w go-
ràcych gwiazdach, powodujà równie˝
powstawanie py∏u, mo˝liwe wi´c, ˝e
m∏ode protogalaktyki t∏umià w∏asnà
emisj´ w linii alfa Lymana. Bez tej cha-
rakterystycznej linii bardzo trudno jest
rozpoznaç m∏ode galaktyki lub zmie-
rzyç ich przesuni´cie ku czerwieni.

Udaje si´ to niekiedy, gdy do detek-

cji tej linii emisyjnej stosuje si´ specjal-
nie dobrane filtry. Pos∏ugujàc si´ tà
metodà w pobli˝u odleg∏ego kwazara
0000-263 (nazwa pochodzi od jego
wspó∏rz´dnych), dokonano niezwyk∏e-
go okrycia, któremu nadano niewiele
mówiàcà nazw´ „G2”. By∏a to jedna
z pierwszych wyglàdajàcych na zwy-
czajne galaktyk, odkryta przy przesu-
ni´ciu ku czerwieni wi´kszym ni˝ 3. Jej
odleg∏oÊç zosta∏a nast´pnie potwier-
dzona w wyniku pomiarów spektrosko-
powych, a dalsze obserwacje pozwoli∏y
odkryç kolejne galaktyki o podobnie du-
˝ych przesuni´ciach ku czerwieni. Jed-
na z nich jest prawdopodobnie od-
powiedzialna za absorpcj´ linii alfa
Lymana w widmie kwazara.

64 Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997

GALAKTYKI RADIOWE 3C265 (z lewej), 3C324 (poÊrodku) i 3C368 (z prawej) wykazujà szczególne cechy morfologiczne i widmowe. Ob-
razy te powsta∏y w wyniku z∏o˝enia uzyskanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a zdj´ç galaktyk (czerwony) oraz map radiowych
wykonanych za pomocà Very Large Array Radio Interferometer (interferometru radiowego tworzonego przez du˝y uk∏ad anten) (linie
niebieskie). Silne êród∏a radiowe mogà znaczàco zmieniç wyglàd galaktyki, a nawet jej ewolucj´. Niektóre galaktyki radiowe mogà byç
rzeczywiÊcie galaktykami pierwotnymi, ale dotychczas taka interpretacja nie znalaz∏a potwierdzenia.

NASA; NATIONAL RADIO ASTRONOMY OBSERVATORY; M. LONGAIR

University of Cambridge

Zdj´cia uzyskane za pomocà Telesko-

pu Hubble’a dostarczy∏y pierwszego wy-
raênego portretu galaktyk z okresu, gdy
WszechÊwiat liczy∏ mi´dzy

1

/

10

a

1

/

4

swojego obecnego wieku. Obiekt G2 ma
kszta∏t sferoidalny i wyglàda jak m∏od-
szy, niebieski odpowiednik galaktyk
eliptycznych odkrytych w gromadzie
3C324, o której by∏a mowa wczeÊniej.
Ca∏kiem mo˝liwe, ˝e galaktyki takie jak
G2 by∏y przodkami obecnie istniejàcych
galaktyk eliptycznych.

Kosmiczny wy˝ demograficzny

Zupe∏nie niedawno, dzi´ki nowym

strategiom obserwacyjnym, astrono-
mom uda∏o si´ odkryç prawdziwà
skarbnic´ galaktyk we wczesnym
WszechÊwiecie. Najbardziej u˝yteczna
metoda nie polega na wykorzystaniu li-
nii emisyjnych alfa Lymana, ale pewnej
szczególnej cechy widma wspólnej
wszystkim odleg∏ym galaktykom. Rów-
nie˝ i w tym przypadku mamy do czy-
nienia z gazem wodorowym, ale me-
chanizm powstawania efektu jest inny.
Obficie wyst´pujàcy zarówno w galak-
tykach, jak i w przestrzeni mi´dzyga-
laktycznej wodór silnie absorbuje Êwia-

t∏o ultrafioletowe, poczàwszy od pewnej
d∏ugoÊci fali. Ma to znaczàcy wp∏yw na
Êwiat∏o emitowane przez m∏odà galak-
tyk´: jej widmo jest gwa∏townie „obci´-
te”, w wyniku czego powstaje w nim
charakterystyczny sk∏ad barw. Gdy od-
leg∏à galaktyk´ oglàda si´ przez ró˝ne
filtry, jest ona widoczna w zakresie bar-
wy czerwonej lub zielonej, lecz znika
w bliskim ultrafiolecie.

Nowe prace Êwiadczà, ˝e te niewi-

doczne w ultrafiolecie galaktyki wyst´-
pujà niezwykle cz´sto na rejestrujàcych
najdalsze g∏´bie WszechÊwiata zdj´-
ciach astronomicznych: widaç je wsz´-
dzie na niebie, a systematyczne katalo-
gowanie pozwoli∏o w ciàgu ostatnich
tylko dwóch lat zidentyfikowaç setki
takich galaktyk. Ich niebieskie zabar-
wienie wskazuje, ˝e w szybkim tempie
powstajà w nich gwiazdy. Jednak bar-

dzo nieliczne z tych galaktyk charakte-
ryzujà silne linie alfa Lymana przema-
wiajàce za hipotezà, ˝e emisja ta mo˝e
byç ∏atwo t∏umiona przez py∏. Wyzna-
czanie przesuni´ç ku czerwieni bez ko-
rzystania z linii emisyjnych alfa Ly-
mana jest niezwykle trudne. Mimo to
widma uzyskane za pomocà teleskopu
Kecka pozwoli∏y tego dokonaç w przy-
padku 100 galaktyk o przesuni´ciach
ku czerwieni mi´dzy 2 a 3.8, z których
(jak na razie) oko∏o 20 znajduje si´
w GPH.

Jasne jest, ˝e spora liczba galaktyk ist-

nia∏a ju˝ we WszechÊwiecie, gdy mia∏
on zaledwie kilka miliardów lat. Znacz-
nie mniej oczywisty jest zwiàzek tych
obiektów z galaktykami takimi jak Dro-
ga Mleczna. Czy sà to d∏ugo poszuki-
wane pierwotne galaktyki, bezpoÊredni
przodkowie dzisiejszych galaktyk spi-

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997 65

DZISIAJ: 14 MILIARDÓW LAT

9 MILIARDÓW LAT

5 MILIARDÓW LAT

2 MILIARDY LAT

GALAKTYKI
SPIRALNE

GALAKTYKI
ELIPTYCZNE

EWOLUCJA GALAKTYK post´powa∏a w miar´ starzenia si´ WszechÊwiata. Obecnie (le-
wa kolumna) wi´kszoÊç galaktyk ma kszta∏t eliptyczny (u góry) lub spiralny (na dole).
Zdj´cia uzyskane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a, przedstawiajàce wczeÊniejsze epo-
ki historii kosmosu, gdy WszechÊwiat by∏ co najmniej trzy razy m∏odszy ni˝ teraz, uka-
zujà obiekty podobne do dojrza∏ych galaktyk eliptycznych. Ich obecnoÊç Êwiadczy, ˝e te-
go rodzaju galaktyki powsta∏y w stosunkowo krótkim czasie po Wielkim Wybuchu.
Galaktyki spiralne natomiast (szereg Êrodkowy i dolny), gdy spoglàdamy coraz dalej
w przesz∏oÊç, wydajà si´ mniej regularne, co wskazuje na to, ˝e ich formowanie si´ prze-
biega∏o stopniowo.

NASA; ALAN DRESSLER

Carnegie Institution of Washington

; MARK DICKINSON; DUCCIO MACCHETTO; M. GIAVALISCO

STScI

ralnych i eliptycznych? Czy w wyniku
ich zapadni´cia si´ powsta∏y pierwsze
pokolenia gwiazd?

Na zdj´ciach GPH obiekty te sà na

ogó∏ znacznie mniejsze ni˝ galakty-
ki w rodzaju Drogi Mlecznej. Wiele z
nich ma jasne w´z∏y i zag´szczenia
rozciàgajàce si´ na tysiàce lat Êwietl-
nych – cechy w∏aÊciwe olbrzymim ob-
szarom powstawania gwiazd w nie-
których pobliskich galaktykach. Licz-
ne majà te˝ bliskich towarzyszy, co
sugeruje, ˝e powstajà one z po∏àcze-
nia niewielkich galaktyk lub jeszcze
mniejszych obiektów.

Wed∏ug jednej z teorii obiek-

ty takie o rozmiarach oko∏o

1

/

10

rozmiarów Drogi Mlecz-

nej powsta∏y pierwsze, a do-
piero w wyniku ich ∏àczenia
uformowa∏y si´ obecnie istnie-
jàce galaktyki. Przy przesuni´-
ciu ku czerwieni z = 3.5 g´stoÊç
WszechÊwiata by∏a 90 razy
wi´ksza ni˝ obecnie, a wi´c
prawdopodobieƒstwo zderzeƒ
obiektów odpowiednio wy˝-
sze. W wyniku tych cz´stych
zderzeƒ oraz zag´szczania si´
materii na skutek przyciàgania
grawitacyjnego galaktyki za-
pewne narasta∏y stopniowo, a˝
osiàgn´∏y rozmiary i masy ob-
serwowane obecnie.

¸àczàc dane dotyczàce po-

bliskich galaktyk z wynikami
otrzymanymi z g∏´bokich ka-
talogów przesuni´ç ku czerwie-
ni i z badaniem galaktyk nie-
widocznych w ultrafiolecie,
uda∏o si´ astronomom nakre-
Êliç zarys historii powstawania
gwiazd, poczynajàc od pierw-
szych kilku miliardów lat ist-

nienia WszechÊwiata. Obraz, jaki si´ wy-
∏ania z tych analiz, sugeruje, ˝e tempo
powstawania gwiazd wzrasta∏o szybko
wraz z rozszerzaniem si´ WszechÊwia-
ta w ciàgu pierwszych 20–30% jego hi-
storii. Tempo to osiàgn´∏o maksimum
gdzieÊ mi´dzy przesuni´ciem ku czer-
wieni z = 2 a z = 1, czyli w epoce, o któ-
rej dzisiejsze obserwacje mówià bardzo
niewiele. Poczàwszy od tego czasu,
stopniowo spada∏o.

Obecnie we wszystkich galaktykach

gwiazdy powstajà Êrednio z szybkoÊcià
mniejszà ni˝ 10% maksymalnej. Wyglà-
da na to, ˝e WszechÊwiat wszed∏ w sta-

teczny wiek dojrza∏y. Scenariusz ten jest
oczywiÊcie niekompletny i nowe obser-
wacje wprowadzà w nim zapewne
zmiany, ale sam fakt jego powstania do-
wodzi, jak zadziwiajàcych post´pów do-
konano w obserwacyjnej kosmologii
w ciàgu ostatniego dziesi´ciolecia.

Nowe kierunki badaƒ

W jaki sposób astronomowie b´dà ba-

daç w przysz∏oÊci WszechÊwiat du˝ych
przesuni´ç ku czerwieni? Jednà z fascy-
nujàcych mo˝liwoÊci jest wykorzysta-
nie zjawiska zwanego soczewkowaniem
grawitacyjnym. Polega ono na zakrzy-
wianiu, wzmacnianiu i zniekszta∏caniu
obrazów obiektów znajdujàcych si´ na
linii obserwacji za du˝ymi skupiskami
masy, jak g´ste gromady galaktyk. S∏a-
ba galaktyka znajdujàca si´ za takà gro-
madà mo˝e zostaç powi´kszona i roz-
ciàgni´ta do postaci olbrzymiego ∏uku,
który pozwala zobaczyç szczegó∏y jej
budowy normalnie niewidoczne nawet
przez najlepsze teleskopy.

Dzi´ki soczewkowaniu grawitacyjne-

mu odleg∏e galaktyki wydajà si´ rów-
nie˝ znacznie jaÊniejsze, przez co ich
Êwiat∏o mo˝na ∏atwiej analizowaç spek-
troskopowo. U˝ywajàc takich natural-
nych soczewek, aby jeszcze bardziej
zwi´kszyç rozdzielczoÊç Kosmicznego
Teleskopu Hubble’a, astronomowie uzy-
skali uderzajàce obrazy ∏uków. Cz´Êç
z nich okaza∏a si´ s∏abymi galaktykami
o przesuni´ciach ku czerwieni porów-

nywalnych z przesuni´ciami
galaktyk niewidocznych w
ultrafiolecie, o których mówi-
liÊmy wczeÊniej.

Budowane obecnie telesko-

py i instrumenty pozwolà na
rozszerzenie przedstawionych
wyników na wi´ksze próbki
danych i wi´ksze przesuni´-
cia ku czerwieni. Na wzniesie-
niach w ró˝nych miejscach ku-
li ziemskiej buduje si´ ol-
brzymie teleskopy. W lutym
br. amerykaƒscy astronauci
powrócili do umieszczonego
na orbicie Teleskopu Hub-
ble’a i zainstalowali dwa urzà-
dzenia, które zwi´kszà jego
mo˝liwoÊci i stanà si´ no-
wymi oknami na odleg∏y
WszechÊwiat. G∏´bokie Pole
Hubble’a bada równie˝ sa-
telita o nazwie European Infrar-
ed Space Observatory (europej-

skie kosmiczne obserwato-
rium podczerwieni), który
próbkuje Êwiat∏o o wi´kszych
d∏ugoÊciach fal, pod którego
postacià odleg∏e, bogate w py∏

66 Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997

S¸ABE NIEBIESKIE OBIEKTY, o rozmiarach mniejszych ni˝ galaktyki odleg∏e od Ziemi
oko∏o 11 mld lat Êwietlnych, mogà byç materia∏em, z którego powsta∏y dzisiejsze galakty-
ki. Teleskop Hubble’a znalaz∏ 18 takich obiektów w pó∏nocnej cz´Êci gwiazdozbioru Her-
kulesa – w pobli˝u gwiazdozbioru Smoka. Astronomowie sàdzà, ˝e obiekty takie zderza-
∏y si´ i ∏àczy∏y w przesz∏oÊci, tworzàc olbrzymie istniejàce obecnie galaktyki.

NASA; ROGIER WINDHORST i

SAM PASCARELLE

Arizona State University

CZAS KOSMICZNY (MILIARDY LAT)

WIELKI

WYBUCH

5

5

10

10

15

WZGL¢DNE TEMPO POWSTAWANIA GWIAZD

BRAK DANYCH

POWSTAWANIE GWIAZD przebiega∏o w szybkim tempie
12 mld lat temu, gdy WszechÊwiat by∏ m∏ody – jak pokazano
na tym wykresie, sporzàdzonym na podstawie obserwacji od-
leg∏ych galaktyk za pomocà Teleskopu Hubble’a i teleskopów na-
ziemnych. Z nie znanych dotàd przyczyn oko∏o 9 mld lat temu
tempo powstawania gwiazd zacz´∏o gwa∏townie spadaç.

NASA; P. MADAU i

J. GITLIN

STScI

galaktyki mogà wysy∏aç znacznà cz´Êç
swojej energii.

Stany Zjednoczone planujà natomiast

umieszczenie na orbicie w∏asnego no-
woczesnego teleskopu do obserwacji
w podczerwieni, zwanego Space Infrar-
ed Telescope Facility (teleskop kosmicz-
ny do obserwacji podczerwieni). W dal-

szych planach National Aeronautics and
Space Administration (NASA) jest pro-
jekt nast´pcy Teleskopu Hubble’a – tele-
skopu kosmicznego nast´pnej genera-
cji, który móg∏by badaç najwczeÊniejsze
stadia historii galaktyk. Dzi´ki tym in-
strumentom, a zw∏aszcza pomys∏owoÊci
w tworzeniu nowych technik wyszuki-

wania i badania obiektów w odleg∏ym
WszechÊwiecie astronomowie majà na-
dziej´ si´gnàç wystarczajàco g∏´boko,
by opisaç ewolucj´ galaktyk, a przynaj-
mniej odkryç kilka tajemnic zwiàzanych
z ich powstaniem.

T∏umaczyli

Ewa L. ¸okas i Bogumi∏ Bieniok

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997 67

Informacje o autorach

F. DUCCIO MACCHETTO i MARK DICKINSON sà pracownika-

mi Space Telescope Science Institute w Baltimore (Maryland) w Sta-

nach Zjednoczonych. Macchetto jest tam dyrektorem ds. progra-

mów naukowych obejmujàcych m.in. misj´ Kosmicznego Teleskopu

Hubble’a. Jako cz∏onek ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) bra∏

udzia∏ w realizacji projektu z ramienia tej organizacji i nadzoro-

wa∏ projektowanie Faint Object Camera (aparatu do zdj´ç s∏abych

obiektów), który zosta∏ umieszczony na pok∏adzie Teleskopu Hub-

ble’a. Dickinson jest obecnie stypendystà Alan C. Davis Postdoc-

toral Fellowship w John Hopkins University i w Space Telescope

Science Institute, gdzie wczeÊniej otrzyma∏ Aura Fellowship.

Literatura uzupe∏niajàca

THE FARTHEST THINGS IN THE UNIVERSE

. Jay M. Pasachoff, Hyron Spinrad,

Patrick S. Osmer i Edward Cheng; Cambridge University Press, 1994.

A SHORT HISTORY OF THE UNIVERSE

. Joseph Silk. Scientific American Library;

W. H. Freeman and Company, 1994.

FAINT BLUE GALAXIES

. Richard S. Ellis, Annual Review of Astronomy and Astro-

physics, vol. 35, 1997 (w druku).

Hubble Deep Field (STScI) – strona internetowa w World Wide Web –

dost´pna pod adresem: http:/www.stsci.edu/ftp/science/hdf/hdf.html

PIERWSZE TRZY MINUTY

, Steven Weinberg; Iskry, Warszawa 1980.

KRÓTKA HISTORIA WSZECHÂWIATA

, Joseph Silk; Prószyƒski i S-ka, Warsza-

wa

1997.

SOCZEWKOWANIE GRAWITACYJNE umo˝liwi∏o kosmologom obserwacje szczegó∏ów s∏abych galaktyk. Liczne niebieskie zakrzywio-
ne obiekty na powy˝szym zdj´ciu sà wielokrotnymi obrazami tej samej odleg∏ej galaktyki. ˚ó∏te galaktyki: eliptyczna i spiralna zgrupo-
wane w Êrodku zdj´cia, nazwane 0024+1654 ze wzgl´du na swe po∏o˝enie na niebie, wytwarzajà niezwykle silne pole grawitacyjne. Za-
krzywia ono drog´ Êwiat∏a, obrazy obiektów znajdujàcych si´ z ty∏u ulegajà wi´c zniekszta∏ceniu, powi´kszeniu lub zwielokrotnieniu.

NASA; N. COLLEY i

E. TURNER

Princeton University

; J. A. TYSON

Bell Labs, Lucent Technologies