19 juni 2024

Waren sterrenstelsels anders in het vroege heelal dan in het huidige heelal?

Tijdlijn van het heelal en de instrumenten die de verschillende tijdperken kunnen waarnemen. Credit: HERA.

Het vroege heelal wordt niet alleen vanuit de ruimte in detail waargenomen, zoals de Webb ruimtetelescoop dat sinds vorig jaar doet? Ook op aarde wordt met telescopen naar het vroege heelal gekeken, het heelal waarin na een duistere periode waarin er totaal geen licht was er sterren en sterrenstelsels ontstonden en het tijdperk van de reïonisatie begon. Met 350 radiotelescopen in de Karoo woestijn in Zuid-Afrika wordt die periode bestudeerd en wel door het zogeheten Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) team. De donkere ‘eeuwen’ van het heelal begonnen 380.000 jaar na de oerknal, dat was het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing’, toen het heelal koud genoeg was (T∼3.000K) door de uitdijing dat elektronen konden combineren met atoomkernen en het licht van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) vrije doorgang kreeg. Je had toen weliswaar de fotonen van de CMB, maar omdat er geen sterren waren was het verder pikdonker in het heelal. Dat eindigde pas rond 200 á 300 miljoen jaar na de oerknal, toen hier en daar afgekoelde gaswolken begonnen te krimpen en de allereerste sterren ontstonden. Die eerste generatie sterren, die zeer zwaar waren (de zogeheten Populatie III sterren) straalden veel UV straling uit en daarmee ioniseerden ze het hun omringende neutrale waterstofgas, dat wil zeggen dat de elektronen en de atoomkernen weer losraakten van elkaar [1]Lees deze blog van twaalf jaar geleden hoe het ook weer zat met die ionisatie, on-ionisatie én reïonisatie..

Het netwerk van 350 radioschotels van HERA. credit: Dara Storer, 2022)

Het is die periode, de ‘Hydrogen Epoch of Reionization’, die ze met HERA willen bestuderen. HERA probeert straling te detecteren van de neutrale waterstof die de ruimte tussen die vroege sterren en sterrenstelsels vulde en te bepalen wanneer die waterstof stopte met het uitzenden of absorberen van radiogolven omdat het geïoniseerd raakte. Die reïonisatie moet in theorie plaats hebben gevonden in bellen, die steeds groter werden. Eerst werd de nabije omgeving van de sterren geïoniseerd en doordat de UV-sraling steeds verder reikte groeiden die bellen, tot de bellen van de afzonderlijke sterren elkaar overlapten.

De nachthemel boven HERA. credit: Dara Storer

Waar het op neer komt bij de waarnemingen is de bekende 21 cm emissielijn van waterstof, van neutraal waterstof welteverstaan. Neutraal waterstof, dus waterstof van een proton in de kern en een elektron wat daar omheen ‘draait’, kan de 21 cm straling absorberen én uitzenden, geïoniseerd waterstof (een los proton eigenlijk) kan dat niet. Kan je door waarnemingen bepalen tot welk moment de 21 cm straling (met een frekwentie van 1420 MHz) werd uitgezonden en wanneer die straling ophoudt dan weet je dus precies wanneer het neutrale waterstof veranderde in geladen waterstof, wanneer de reïonisatie plaatsvond. Probleem is alleen dat de straling erg zwak is en de periode waarin die reïonisatie plaatsvond zéér lang geleden gebeurde. In 2018 was er al een team van sterrenkundigen dat dacht de 21 cm lijn van de reïonisatie te hebben gevonden en wel met de EDGES detector in Australië, maar dat signaal bleek later niet reproduceerbaar te zijn. En helaas maar waar, ook HERA is tot nu toe niet in staat geweest de 21 cm lijn waar te nemen. Recent werden de resultaten bekendgemaakt van de eerste waarneemperiode, toen in 2017 en 2018 met 40 radioschotels gedurende 94 nachten werd waargenomen. Maar door het aantal schotels uit te breiden (inmiddels 350) is de gevoeligheid van HERA werd vergroot. En wat ze op basis van de eerste fase van de waarnemingen in ieder geval wel kunnen uitsluiten is het bestaan van de zogeheten ‘koude reïonisatie’, dat wil zeggen dat het gas tussen de sterren toen moet zijn  opgewarmd door de röntgenstraling van röntgendubbelsterren, dat zijn dubbelstersystemen waarin een van beide sterren is ineengestort tot een zwart gat of neutronenster, die zijn begeleider geleidelijk ‘opeet’. Met de volledige HERA-array van 350 radioschotels hopen ze een 3D-kaart van de periode van reïonisatie te kunnen maken en daarmee antwoord te kunnen geven op de vraag of de strerenstelsels toen anders waren dan in het tegenwoordige heelal.

Hier is het vakartikel over de waarnemingen van fase 1 van HERA. Bron: Berkeley.

Voetnoten

Voetnoten
1 Lees deze blog van twaalf jaar geleden hoe het ook weer zat met die ionisatie, on-ionisatie én reïonisatie.
Share

Comments

  1. Men gaat er blijkbaar vanuit dat er een overmaat aan elektronen aanwezig was om de waterstofkernen weer te neutraliseren. Maar waar kwamen die vandaan en bleven die geïoniseerde kernen en elektronen tijdens de expansie ondanks hun massaverschillen netjes bij elkaar om later elkaar weer gezellig op te zoeken?

  2. Er wordt een tweede poging gedaan om het rood verschoven 21 cm spectrum vast te leggen vanaf de achterkant van de maan. zie https://phys.org/news/2023-01-astronomers-lusee-night-observatory-side.html Heino Falcke (Radboud universiteit) zit uiteraard ook in het team FARSIDE (A Low Radio Frequency Interferometric Array on the Lunar Farside) zie https://www.colorado.edu/ness/farside-low-radio-frequency-interferometric-array-lunar-farside

Speak Your Mind

*