23 oktober 2019

ALMA voor het eerst getuige van de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal

ALMA is getuige van vorming sterrenstelsel in het jonge heelal.

Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) zijn de verste wolken van sterren-vormend gas gedetecteerd die ooit in normale sterrenstelsels in het vroege heelal zijn aangetroffen. Dankzij de nieuwe waarnemingen beginnen astronomen te zien hoe de eerste sterrenstelsels zijn gegroeid en hoe ze tijdens het reïonisatietijdperk de kosmische mist hebben opgeruimd. Het is voor het eerst dat dergelijke stelsels als meer te zien zijn dan vage vlekjes.

Toen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal de eerste sterrenstelsels begonnen te ontstaan, was het heelal gevuld met een mist van waterstofgas. Maar toen steeds meer heldere bronnen – zowel sterren als quasars die door enorme zwarte gaten werden aangedreven – begonnen te stralen, loste deze mist op en werd het heelal doorzichtig voor ultraviolet licht1. Astronomen noemen dit het reïonisatietijdperk, maar over de eerste sterrenstelsels is verder weinig bekend. Tot nu toe waren ze alleen te zien als heel vage vlekjes. Nieuwe waarnemingen met ALMA beginnen daar verandering in te brengen.

Een team van astronomen, onder leiding van Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory en Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, VK), heeft ALMA gericht op sterrenstelsels waarvan bekend was dat we ze zien zoals ze ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal waren2. De astronomen zochten niet naar het licht van sterren, maar naar de zwakke gloed van geïoniseerde koolstof3 die afkomstig is van de gaswolken waaruit de sterren ontstonden. Op die manier wilden ze onderzoeken hoe jonge generaties van sterren van invloed waren op de samenklonteringen van koude materie die zich tot deze eerste sterrenstelsels samenvoegden.

Deze afbeelding is een combinatie van opnamen van ALMA en de Very Large Telescope. Het object in het midden is een zeer ver sterrenstelsel, BDF3299 geheten, dat we zien zoals het was toen het heelal minder dan 800 miljoen jaar oud was. De rode vlek daar linksonder is de ALMA-detectie van een grote wolk van materie die betrokken is bij de vorming van het jonge sterrenstelsel. Credit:
ESO/R. Maiolino

De astronomen zochten ook niet naar de extreem heldere, zeldzame objecten – zoals quasars en sterrenstelsels met zeer hevige stervorming – die tot nu toe in het verre heelal waren waargenomen. In plaats daarvan concentreerden zij zich op (veel minder spectaculaire) normale sterrenstelsels die het heelal hebben gereïoniseerd en vervolgens zijn veranderd in het leeuwendeel van de sterrenstelsels die we nu om ons heen zien. Van een van de stelsels – die de aanduiding BDF3299 heeft gekregen – heeft ALMA een zwak, maar duidelijk signaal van de gloeiende koolstof kunnen registeren. Die gloed kwam echter niet uit het centrum van het sterrenstelsel, maar van vlak daarnaast.

Mede-auteur Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië) benadrukt het belang van de nieuwe resultaten: ‘Dit is de verste detectie ooit van dit soort emissie van een normaal sterrenstelsel dat minder dan een miljard jaar na de oerknal wordt gezien. Het geeft ons de mogelijkheid om de vorming van de eerste sterrenstelsels gade te slaan. Voor het eerst zien we vroege sterrenstelsels niet slechts als kleine vlekjes, maar als objecten met een interne structuur!

De astronomen denken dat de excentrische locatie van de gloed ontstaat doordat de gaswolken in het centrum het slachtoffer zijn geworden van de pas gevormde sterren in hun omgeving – zowel van hun intense straling als van de gevolgen van supernova-explosies – terwijl de koolstofgloed zijn oorsprong vindt in vers koud gas dat vanuit het intergalactische medium is toegestroomd.

Eén van de ALMA schotels. Credit: ESO.

Door de nieuwe ALMA-waarnemingen te combineren met computersimulaties is het gelukt om inzicht te krijgen in de verschillende processen die zich binnen de eerste sterrenstelsels afspelen. De gevolgen van de straling van sterren, de overlevingskansen van moleculaire wolken, het vrijkomen van ioniserende straling en de complexe structuur van het interstellaire medium kunnen nu worden berekend en met waarnemingen worden vergeleken. BDF3299 is waarschijnlijk een typisch voorbeeld van de sterrenstelsels die de reïonisatie hebben veroorzaakt.

We doen al vele jaren pogingen om het interstellaire medium en de vorming van de reïonisatiebronnen te begrijpen. Dat we eindelijk in staat zijn om voorspellingen en hypothesen aan echte gegevens van ALMA te toetsen is een spannend moment, en roept allerlei nieuwe vragen op. Dit soort waarnemingen zal vele netelige kwesties rondom de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels in het heelal kunnen ophelderen,’ concludeert Ferrara.

Maiolino voegt daaraan toe: ‘Dit onderzoek zou simpelweg onmogelijk zijn geweest zonder ALMA, omdat geen enkel ander instrument de noodzakelijke gevoeligheid en resolutie heeft. Hoewel dit een van de diepste ALMA-waarnemingen tot nu toe is, zijn de grenzen van de mogelijkheden nog lang niet bereikt. In de toekomst zal ALMA de structuur van oerstelsels gedetailleerd in beeld brengen en inzicht geven in de vorming van de allereerste sterrenstelsels.Hier is het onderzoeksartikel. Bron: ESO.

  1. Neutraal waterstofgas is heel effectief in het absorberen van de energierijke ultraviolette straling van jonge hete sterren. Bijgevolg zijn deze sterren bijna niet waarneembaar in het vroege heelal. Tegelijkertijd is de geabsorbeerde ultraviolette straling in staat om de waterstof te ioniseren, waardoor deze volledig doorzichtig wordt. Hierdoor ontstaan transparente bellen in het gas rond de  hete sterren. Zodra al deze bellen zich samenvoegen en de gehele ruimte vullen, is de reïonisatie voltooid en wordt het heelal doorzichtig. []
  2. Ze hadden roodverschuivingen van 6,8 tot 7,1. []
  3. Astronomen zijn vooral geïnteresseerd in geïoniseerde koolstof, omdat deze specifieke spectraallijn de meeste energie afvoert die door sterren wordt ingebracht en astronomen in staat stelt om de verdeling van het koude gas in kaart te brengen waaruit sterren ontstaan. Het team zocht specifiek naar de emissie van eenmaal geïoniseerde koolstof [bekend als C II]. Deze straling wordt uitgezonden op een golflengte van 158 micrometer, maar is tegen de tijd dat zij aankomt bij ALMA zodanig uitgerekt door de uitdijing van het heelal, dat haar golflengte is toegenomen tot ongeveer 1,3 millimeter. []

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.