Hubble Deep Field
Hubble Deep Field ( HDF ), til og med Hubble Deep Field, er et bilde av en liten del av nattehimmelen , som i desember 1995 ble tatt med Hubble Space Telescope med maksimal teknisk teknisk mulig oppløsning . Det valgte området på himmelen inneholder bare noen få nærliggende stjerner og andre gjenstander i nærheten, så fjerne galakser kan observeres opp til en avstand på omtrent 12 milliarder lysår . Hubble Deep Field muliggjør studiet av utviklingen av galakser i det tidlige universet.
bakgrunn
For Hubble Deep Field ble det valgt et område i Great Bear som er relativt fritt for forstyrrende visuelle påvirkninger og omkringliggende lyse stjerner. Området har en kantlengde på 144 buesekunder , som er omtrent vinkelen som en tennisball dukker opp 100 m unna. Bildet er et overlegg av 342 individuelle bilder tatt med Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) av Hubble Space Telescope i løpet av ti dager mellom 18. og 28. desember 1995.
Området er så lite at det bare er noen få stjerner av Melkeveien i det . Alle andre gjenstander er galakser, inkludert de yngste etter Big Bang og derfor de fjerneste som hadde blitt observert fram til da. Med så mange veldig unge galakser funnet, er HDF et landemerke i utforskningen av det tidlige universet og har blitt kilden til nesten 400 vitenskapelige artikler.
Tre år etter at HDF-observasjonene ble gjort, ble en region på den sørlige halvkule valgt og evaluert på samme måte. Bildet fikk navnet Hubble Deep Field South . Fra likhetene mellom de to regionene ble det konkludert med at universet er homogent og isotropisk i større skala, og at jorden ikke befinner seg i et bestemt område av universet (det kosmologiske prinsippet ). I 2004 ble et annet bilde publisert, kalt Hubble Ultra Deep Field , som ser dypere inn i universet med en eksponeringstid på 11,3 dager i synlig lys. Hubble Extreme Deep Field- bildet som ble publisert i 2012 med en eksponeringstid på 23,1 dager gir den dypeste visningen av universet til dags dato .
konsept
Et av målene med Hubble Space Telescope (HST) var å få bilder med høy oppløsning av fjerne galakser som er umulige fra bakken. HST observerer over atmosfæren uten atmosfæriske forstyrrelser, noe som betyr at den kan se mye mer følsomt i det ultrafiolette området enn teleskoper på jorden (så snart gode adaptive optiske korreksjoner også er mulige i det synlige området, 10-meters teleskoper. klasse på jorden kan bruke Hubble Space Telescope for å bli konkurransedyktig). Selv om teleskopspeilet i utgangspunktet viste sfærisk aberrasjon , hadde teleskopet vært i stand til å registrere galakser på tidligere utilgjengelige avstander siden begynnelsen av 1990. Siden lys tar milliarder av år å nå jorden fra fjerne galakser, blir de sett i den tilstanden de var i det tidlige universet. Med utvidelsen av observasjonsmulighetene til stadig flere fjerne galakser, kan man bedre forstå hvordan de utvikler seg.
Siden speilet korreksjon i løpet av romfergen oppdrag STS-61 i 1993, har gode bilder er gjort for å undersøke galakser som er stadig fjernere og svakere. Den Medium Deep Survey (MDS), som brukte Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2), tok dype bilder av tilfeldig utvalgte områder, mens andre instrumenter ble brukt til planlagte observasjoner. Samtidig ble det utført studier av nærliggende galakser, som allerede var kjent fra observasjoner med teleskoper på jorden. Alle disse studiene viste at det er viktige forskjeller mellom egenskapene til galakser i dag og de som eksisterte for milliarder år siden.
Opptil 10 prosent av observasjonstiden til HST vises som "Director's Discretionary (DD) Time". Den blir gitt til astronomer som ønsker å studere uventede forbigående fenomener, for eksempel en supernova. Etter at Hubble mottok sin optiske korreksjon, bestemte Robert Williams , direktøren for Space Telescope Science Institute , i 1995 å bruke en betydelig del av sin DD-tid på å studere fjerne galakser. En rådgivende komité anbefalte bruken av WFPC2 for å velge et typisk område av himmelen langt fra den galaktiske disken og for å avbilde det med flere optiske filtre. Det ble dannet en arbeidsgruppe for å utvikle og implementere prosjektet.
Målvalg
Området som skal velges bør oppfylle flere kriterier. Det skal være langt borte fra den galaktiske skiven til Melkeveien , fordi støvet og annet mørkestoff der hindrer det svake lyset fra fjerne galakser i å komme til jorden. Videre kunne målområdet ikke inneholde gjenstander som avgir synlig lys (for eksempel stjerner i nærheten), infrarød , ultrafiolett og røntgen for å senere lettere kunne undersøke objektene til HDF i andre bølgelengdeområder, og regionen bør være i et område med bare tynn infrarød cirrus som ligger. Sistnevnte betegner en diffus infrarød utslipp, som sannsynligvis stammer fra varmt støv i kalde hydrogenskyer ( HI-område ).
Disse kriteriene reduserte regionene som kunne bli målrettet betydelig. Det ble også bestemt at området skulle være i Hubbles kontinuerlige visningssoner (CVZer). Dette er områder på himmelen som ikke midlertidig dekkes av jorden eller månen . Den nordlige CVZ ble valgt fordi teleskoper fra den nordlige halvkule, som Keck Observatory og Very Large Array , kunne utføre oppfølgingsobservasjoner her .
Opprinnelig ble tjue områder identifisert som oppfylte alle disse kriteriene, og hvorfra tre optimale kandidater ble valgt. De er alle i konstellasjonen av den store bjørnen . Et radio øyeblikksbilde fikk et felt til å falle ut fordi det inneholdt en sterk radiokilde, og den endelige avgjørelsen mellom de to siste ble tatt basert på tilgjengeligheten av ledestjerner rundt det området. Hubble-romteleskopet trenger to stjerner som teleskopguidesensorene kan bruke som orientering under observasjon. På grunn av viktigheten av å observere HDF ønsket de et ekstra par stjerner for nødsituasjoner. Avgjørelsen ble tatt i favør av en region med rett oppstigning 12h 36 m 44s og deklinasjon + 62 ° 12 ′ 58.000 ″.
observasjon
Etter at regionen som skulle observeres var valgt, ble observasjonsprosedyren utarbeidet. Valg av filtre var en viktig beslutning . WFPC2 er utstyrt med 48 filtre, inkludert filtre som bare tillater noen få utslippslinjer av interesse for astrofysikk , og bredbåndsfiltre som kan brukes til å studere fargene til stjerner og galakser. Avgjørelsen var avhengig av transmisjonen for hvert filter, dvs. mengden lys som den overfører og bølgelengdeområdet som generelt kunne dekkes av observasjonene. Det ble forsøkt å unngå overlapping av bølgelengdeområdene til filtrene som ble brukt så mye som mulig.
Til slutt ble det besluttet å bruke fire bredbåndsfiltre, sentrert rundt bølgelengdene 300 nm (nær ultrafiolett ), 450 nm (blått lys), 606 nm (rødt lys) og 814 nm ( nær infrarødt ). Imidlertid er kvanteffektiviteten til Hubble-detektorer veldig lav ved 300 nm. Støyen i observasjonene ved dette bølgelengdeområdet kommer hovedsakelig fra støyen fra CCD og mindre fra stjernehimmelen. Derfor ble observasjonene i dette bølgelengdeområdet utført når sterk bakgrunnsstøy ville ha svekket de andre båndpassfiltrene.
Bildene ble tatt over en ti-dagers periode mens Hubble kretset rundt jorden 150 ganger. Eksponeringstidene for de enkelte bølgelengdeområdene er 42,7 timer i 300 nm, 33,5 timer i 450 nm, 30,3 timer i 606 nm og 34,3 timer i 814 nm, fordelt på 342 individuelle observasjoner, slik at de enkelte bildene ikke blir utsatt for alvorlige skader fra kosmiske stråler . Dette vil føre til lette striper på CCD-detektorene.
Databehandling
De 342 individuelle bildene gjør det mulig å automatisk oppdage og fjerne gjenstander som bare vises i individuelle bilder når de legges til et totalt bilde. Disse gjenstandene inkluderer lyse piksler som ble opprettet under innspillingen av treff fra partikler av kosmiske stråler , samt spor av rusk og kunstige satellitter , som også kan sees i individuelle originalbilder.
Spredt lys fra jorden ble sett på en fjerdedel av bildene. Dette ble fjernet ved å justere bildet påvirket av lyset med et upåvirket bilde og trekke det upåvirkede bildet fra det påvirkede bildet. Det resulterende bildet ble glattet og kunne deretter trekkes fra det berørte bildet. Denne prosessen fjernet nesten alt forstyrrende lys fra de berørte bildene.
Etter disse justeringene ble de 342 individuelle bildene justert og lagt på hverandre. En teknikk kalt 'drizzling' ble brukt til dette. For dette formålet ble retningen på opptakene endret minimalt for hvert opptak. Hver piksel av WFPC2 CCD-brikken tilsvarer et vinkelområde på 0,09 buesekunders kantlengde. Imidlertid, ved å endre retning med mindre enn 0,09 buesekunder, kan høyere oppløsning oppnås. Ved å bruke de riktige bildebehandlingsalgoritmene kunne en oppløsning på 0,04 buesekunder oppnås.
De originale svart-hvittbildene tatt med fire forskjellige fargefiltre ble kombinert i bildebehandlingen til et endelig, noe vilkårlig fargebilde, som deretter ble publisert. Tre av utgangsbildene er tatt i området med rødt, grønt og blått lys og representerer fargekomponentene i det fargede bildet. Siden overføringskurvene til filtrene, sammen med kameraets spektralfølsomhetskurve, ikke akkurat matcher den spektrale følsomhetskurven til det menneskelige øye for rød, grønn og blå lyskamp, fargene som vises er bare en tilnærming. Valget av filtre for HDF (og en rekke bilder fra Hubble) er i utgangspunktet ment å være av den største vitenskapelige fordelen, snarere enn å vise farger som det menneskelige øye kan se.
Innholdet i det ferdige bildet
Det endelige bildet viser et mangfold av fjerne, svakt glødende galakser. Over 3000 tydelig gjenkjennelige galakser kunne skildres på bildet. Det er både uregelmessige og spiralgalakser , pluss noen få galakser bare noen få piksler i diameter. Totalt sett inneholder HDF mindre enn 10 stjerner i forgrunnen. Den langt større resten er fjerne galakser.
Det er rundt 50 objekter på HDF som ser ut som blå prikker. Mange er assosiert med nærliggende galakser, som sammen danner kjeder og buer. De er regioner med intens stjernedannelse . Andre kan være fjerne kvasarer . Astronomer utelukket opprinnelig muligheten for at de punktlignende objektene var hvite dverger fordi de er for blå til å være i samsvar med hvite dvergteorier. Senere arbeid har imidlertid vist at hvite dverger blir blåere med alderen, noe som gjør det mulig at HDF kan inneholde hvite dverger.
Resultater
HDF ga mye materiale til kosmologer . I 2005 hadde nesten 400 artikler basert på HDF dukket opp i astronomisk litteratur. En av de mest grunnleggende oppdagelsene var det store antallet galakser med store rødskift .
Den utvidelse av universet øker avstanden fjerne galakser fra jorden. Likeledes øker bølgelengden av lys fra galakser jo lenger borte de er fra jorden. Mens kvasarer med stor rødforskyvning allerede var kjent, ble det i lang tid bare funnet svært få galakser med rødforskyvning større enn 1. HDF inneholder mange fjerne galakser med rød forskyvning på 6, tilsvarende en avstand på 12 milliarder lysår. (Den røde forskyvningen av enda fjernere gjenstander i HDF resulterer i bølgelengder så lenge at de ikke er synlige på bildene fra Hubble. De kan bare observeres med teleskoper på jorden.)
Galaksene i HDF har en høyere andel forstyrrede og uregelmessige galakser enn i lokaluniverset, fordi galaksekollisjoner og sammenslåinger skjedde mye oftere i det unge universet enn de gjør i dag. Fra tilstanden som galaksene har i de forskjellige stadiene av utviklingen, kan astronomer estimere endringene i hastigheten til stjernedannelse over universets levetid. Mens estimater av rødforskyvning av HDF-galakser er upresise på grunn av deres svakhet i lys, antar astronomer at stjernedannelsen nådde en topp på 8-10 milliarder år siden og siden har falt med en faktor på 10.
Et annet viktig resultat av HDF var det lille antallet stjerner som ble funnet i forgrunnen. I årevis har astronomer prøvd å finne ut hva såkalt mørk materie er laget av. Det er masse som ikke er synlig i direkte observasjon, men inneholder 90% av massen til universet. En hypotese er at noe mørkt materie består av massive astrofysiske kompakte glorieobjekter ( MACHO ). De er svake, men massive gjenstander som røde dverger eller planeter i de ytre områdene av galaksen. Imidlertid har HDF vist at det ikke er noe stort antall røde dverger i de ytre lagene av galaksen.
Påfølgende observasjoner
HDF er en milepæl i observasjonskosmologi, og evalueringen av dataene er langt fra over. Siden 1995 har dette området blitt undersøkt av mange teleskoper på jorden og noen få andre romteleskoper i bølgelengder fra radio til røntgenstråler.
Svært sterkt rødskiftede gjenstander ble oppdaget i HDF med noen teleskoper på jorden, spesielt med James Clerk Maxwell-teleskopet . På grunn av den høye rødskiftet til disse objektene, kan de ikke sees i spekteret av synlig lys. På den annen side ser man etter dem i den infrarøde eller ved submillimeter bølgelengder.
Viktige rombaserte observasjoner er gjort med blant annet Chandra X-ray Observatory og Infrared Space Observatory (ISO). Røntgenstudier avdekket seks kilder i HDF assosiert med tre elliptiske galakser, en spiralgalakse, en aktiv galakskjerne og en ekstremt rød gjenstand. Sistnevnte antas å være en fjern galakse der støvet absorberer den blå delen av det utsendte lyset.
ISO-observasjoner viser infrarød utslipp fra 13 galakser som kan observeres på det optiske bildet. Det er mest sannsynlig steder med intens stjernedannelse som er omgitt av en stor mengde støv, som varmes opp og utstråler i det infrarøde. Radioteleskoper på jorden avslørte syv radiokilder i HDF. Alle disse kan tilordnes til galakser som er synlige i det optiske området.
I 1998 ble det gjort en innspilling som ligner på HDF på den sørlige halvkule: Hubble Deep Field South . Det var store likheter mellom HDF-S og den originale HDF. Dette forsterker det kosmologiske prinsippet om at universet er homogent og isotropt over de største avstandene.
litteratur
- Daniel Fischer, Hilmar Duerbeck : The Hubble Universe: New Images and Insights . Lisensiert utgave av Weltbildverlag, Augsburg, 2000, copyright Kosmos Verlagsanstalt Basel (tidligere Birkhäuser), ISBN 3-8289-3407-2 .
- RE Williams et al.: The Hubble Deep Field: Observations, data reduction, and galaxy photometry , Astronomical Journal, 1996, Vol. 112, s. 1335.
- HC Ferguson: The Hubble Deep Fields , Astronomical Data Analysis Software and Systems IX, ASP Conference Series , N. Manset, C. Veillet, D. Crabtree (Red.). Astronomical Society of the Pacific , 2000, bind 216, s. 395, ISBN 1-58381-047-1 .
- BMS Hansen: Observational signatures of old white dwarfs , 19th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology, 1998, J. Paul, T. Montmerle, E. Aubourg (Red.)
- A. Hornschemeier et al.: Røntgenkilder i Hubble Deep Field oppdaget av Chandra , Astrophysical Journal , 2000, Vol. 541, s. 49-53.
- AJ Connolly et al.: Utviklingen av den globale stjernedannelseshistorien målt fra Hubble Deep Field , Astrophysical Journal Letters, 1997, Vol. 486, s.11.