25 juni 2017

Oeroud sterrenstof werpt licht op verste object ooit dat ALMA heeft waargenomen

Artist’s impression van het verre stofrijke sterrenstelsel A2744_YD4

Astronomen hebben de ALMA-telescoop gebruikt om een enorme massa van gloeiend sterrenstof te detecteren in een sterrenstelsel dat we zien toen het heelal slechts vier procent van zijn huidige leeftijd had. Dit stelsel is kort na zijn ontstaan waargenomen en is het verste stelsel ooit waarin stof is gedetecteerd. Deze nieuwe resultaten leveren gloednieuwe inzichten op over de geboorte en explosieve dood van de allereerste sterren.

Een internationaal team van astronomen, onder leiding van Nicolas Laporte van University College Londen, hebben de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om waarnemingen te doen van A2744_YD4, het jongste en verste sterrenstelsel dat ALMA ooit heeft gezien. Tot hun verrassing ontdekten de astronomen dat dit jeugdige sterrenstelsel rijk is aan interstellair stof – stof dat is gevormd door een eerdere generatie van sterren.

Vervolgwaarnemingen met het X-shooter-instrument van ESO’s Very Large Telescope hebben de enorme afstand van A2744_YD4 bevestigd. We zien het stelsel zoals het was toen het heelal nog maar 600 miljoen jaar oud was, tijdens de periode dat zich de eerste sterren en sterrenstelsels vormden1.

ALMA- en Hubble-beelden van het verre stofrijke sterrenstelsel A2744_YD4

Niet alleen is A2744_YD4 het verste sterrenstelsel dat tot nu toe met ALMA is waargenomen,’ merkt Nicolas Laporte op, ‘maar de detectie van zoveel stof wijst erop dat het stelsel al vervuild moet zijn door vroege supernova-explosies.

Kosmisch stof bestaat voornamelijk uit silicium, koolstof en aluminium, in de vorm van korreltjes die vaak nog geen miljoenste centimeter groot zijn. De chemische elementen in deze korreltjes zijn aangemaakt in het inwendige van sterren en worden na de dood van de sterren over de ruimte verspreid, bijvoorbeeld bij supernova-explosies – het onontkoombare lot van kortlevende, zware sterren. Tegenwoordig is zulk stof, dat een sleutelrol speelt bij de vorming van sterren, planeten en complexe moleculen, alom aanwezig. Maar in het vroege heelal – voordat de eerste generaties van sterren uitstierven – was het schaars.

De waarnemingen van het stofrijke sterrenstelsel A2744_YD4 waren mogelijk, omdat dit stelsel achter een kolossale cluster van sterrenstelsels ligt die Abell 2744 wordt genoemd2. Door een verschijnsel dat het zwaartekrachtlenseffect wordt genoemd, fungeerde deze cluster als een reusachtige kosmische ‘telescoop’ die het verder weg gelegen stelsel A2744_YD4 met ongeveer een factor 1,8 versterkt. Hierdoor konden de astronomen dieper het jonge heelal in kijken met ALMA dan normaal gesproken mogelijk is.

Bij de ALMA-waarnemingen is in A2744_YD4 ook het gloeiende schijnsel waargenomen van geïoniseerde zuurstof. Daarmee is dit de verste en dus vroegste detectie van zuurstof in het heelal en is het eerdere ALMA-record uit 2016 gebroken.

De detectie van stof in het vroege heelal levert nieuwe informatie op over wanneer de eerste supernova’s explodeerden en daarmee ook over de tijd dat de eerste hete sterren het heelal in licht deden baden. De bepaling van het tijdstip waarop deze ‘kosmische dageraad’ plaatsvond is een van de hoofddoelen van de moderne astronomie, en de speurtocht naar vroeg interstellair stof is een van de manieren om dit doel te bereiken.

Het onderzoeksteam schat dat A2744_YD4 een hoeveelheid stof bevatte die overeenkomt met 6 miljoen keer de massa van onze zon, en de totale massa van alle sterren in het stelsel bedroeg naar schatting 2 miljard zonsmassa’s. Het team heeft ook gemeten hoe snel A2744_YD4 nieuwe sterren produceerde en is daarbij uitgekomen op een tempo van 20 zonsmassa’s per jaar3. Dat is twintig keer zo snel als ons Melkwegstelsel.

X-Shooter onder de VLT

Dit tempo, dat niet ongewoon is voor zo’n ver sterrenstelsel, geeft aan hoe snel het stof in A2744_YD4 is gevormd,’ legt mede-auteur van het onderzoek Richard Ellis (ESO en University College London) uit. ‘Opmerkelijk genoeg was daar maar ongeveer 200 miljoen jaar voor nodig – we zien dit sterrenstelsel dus kort na zijn vorming.

Dit betekent dat de vorming van nieuwe sterren ongeveer 200 miljoen jaar voor het moment waarop we het stelsel waarnemen goed op gang kwam. Dit biedt ALMA de uitgelezen mogelijkheid om het tijdperk te onderzoeken waarin de eerste sterren en sterrenstelsels ‘aan gingen’ – het vroegste kosmische tijdperk dat tot nu toe is onderzocht. Onze zon, onze planeet en ons bestaan zijn de producten – 13 miljard jaar later – van deze eerste generatie van sterren. Door hun ontstaan, leven en dood te bestuderen, onderzoeken we dus onze eigen oorsprong.

Met ALMA zijn de vooruitzichten om soortgelijke sterrenstelsels in deze vroege periode diepgaand en uitgebreid te onderzoeken zeer veelbelovend geworden,’ zegt Ellis.

En Laporte besluit: ‘Verdere metingen van dit type bieden het spannende vooruitzicht dat we bij het onderzoek van de vorming van sterren en zware elementen nog verder terug kunnen gaan in de tijd.’ Bron: ESO.

Noten
  1. Dit tijdstip correspondeert met een roodverschuiving van z=8,38 en valt daarmee in het reïonisatietijdperk. []
  2. Abell 2744 is een massarijk object op een afstand van 3,5 miljard lichtjaar (roodverschuiving 0,308), dat vermoedelijk het resultaat is van de botsing tussen vier kleinere clusters van sterrenstelsels. Het heeft de bijnaam Pandora’s Cluster gekregen, vanwege de vele vreemde en uiteenlopende verschijnselen die bij deze enorme botsing, die ongeveer 350 miljoen jaar duurde, zijn ontketend. De sterrenstelsels nemen slechts vijf procent van de massa van de cluster voor hun rekening. Driekwart van de massa bestaat uit donkere materie, die dus de belangrijkste oorzaak is van de afbuiging en versterking van het licht van achtergrondstelsels. De resterende twintig procent bestaat vermoedelijk uit heet gas. []
  3. Dit tempo betekent dat de totale massa van de sterren die elk jaar worden gevormd twintig keer zo groot is als de massa van onze zon. []

Laat wat van je horen

*