Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarin ESO partner is, hebben astronomen een groot reservoir van heet gas ontdekt in de cluster-in-wording rond het Spinnenwebstelsel. Het betreft de verste detectie van zulk heet gas tot nu toe. Clusters behoren tot de grootste objecten in het heelal, en dit resultaat, dat vandaag in Nature wordt gepubliceerd, laat zien hoe vroeg deze structuren begonnen te ontstaan.
Het Soenjajev-Zeldovitsj-effect in de Spinnenweb-protocluster. Credit; ESO/Di Mascolo et al.; HST: H. Ford
Clusters bestaan uit een groot aantal sterrenstelsels – tot wel duizenden. Daarnaast omvatten ze ook een omvangrijk ‘intraclustermedium’ (ICM) van gas dat de ruimte tussen de sterrenstelsels in de cluster vult en meer massa heeft dan de sterrenstelsels zelf. De fysica van clusters wordt voor een groot deel goed begrepen, maar waarnemingen van de beginfasen van de vorming van het ICM zijn schaars.
Tot nog toe is het ICM alleen onderzocht in volgroeide clusters van nabije sterrenstelsels. Door het ICM te detecteren in verre protoclusters – dat wil zeggen clusters van sterrenstelsels die zich nog aan het vormen zijn – zouden astronomen in staat zijn om het vormingsproces van deze clusters in een vroeg stadium te observeren. Een team onder leiding van Luca Di Mascolo, hoofdauteur van het onderzoeksverslag en onderzoeker aan de universiteit van Triëst (Italië), wilde graag het ICM detecteren in een protocluster in het vroege heelal.
De Spinnenweb-protocluster. Credit: ESO/H. Ford
Clusters hebben zoveel massa dat ze gas kunnen verzamelen dat heet wordt terwijl het naar ze toe ‘valt’. ‘De aanwezigheid van heet gas in protoclusters wordt al meer dan tien jaar door kosmologische simulaties voorspeld, maar waarnemingen die dit konden bevestigen ontbraken,’ legt Elena Rasia, onderzoeker aan het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF) in Triëst en mede-auteur van de studie, uit. ‘Het zoeken naar zo’n observationele bevestiging bracht ons ertoe om een van de meest veelbelovende kandidaat-protoclusters onder de loep te nemen.’ Dat was de Spinnenweb-protocluster, die we waarnemen op een moment dat het heelal nog maar drie miljard jaar oud was. Hoewel het de best onderzochte protocluster betreft, was het nog niet gelukt om een daarin aanwezig ICM te detecteren. De ontdekking van een groot reservoir van heet gas in de Spinnenweb-protocluster zou erop wijzen dat het systeem op weg is om een echte, persistente cluster van sterrenstelsels te worden in plaats van uiteen te vallen.
Het team van Di Mascolo ontdekte het intraclustermedium van de Spinnenweb-protocluster via het zogeheten thermische Soenjajev-Zeldovitsj (SZ)-effect. Dit effect treedt op wanneer licht van de kosmische achtergrondstraling – de reststraling van de oerknal – door het ICM gaat. Bij de wisselwerking met de snel bewegende elektronen in het hete gas wint dit licht een beetje energie en verandert het enigszins van kleur oftewel golflengte. ‘Bij bepaalde golflengten werpt een cluster van sterrenstelsels daardoor een soort schaduw over de kosmische achtergrondstraling,’ legt Di Mascolo uit.
Groothoekopname van het Spinnenwebstelsel. Credit: Digitized Sky Survey 2 and ESA/Hubble. ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin (ESA/Hubble ).
Door deze schaduwen te meten, kunnen astronomen niet alleen het bestaan van het hete gas afleiden, maar ook de massa ervan schatten en de vorm ervan in kaart brengen. ‘Dankzij zijn ongeëvenaarde resolutie en gevoeligheid is ALMA momenteel de enige faciliteit die zo’n meting bij de verre voorlopers van zware clusters kan uitvoeren,’ aldus Di Mascolo.
De onderzoekers hebben vastgesteld dat de Spinnenweb-protocluster een enorm reservoir van heet gas bevat met een temperatuur van enkele tientallen miljoenen graden Celsius. Eerder was al koud gas in deze protocluster ontdekt, maar de massa van het hete gas dat nu is opgespoord, is duizenden malen groter. De ontdekking toont aan dat de Spinnenweb-protocluster naar verwachting over ongeveer tien miljard jaar inderdaad zal uitgroeien tot een zware cluster van sterrenstelsels, waarbij zijn massa met minstens een factor tien zal toenemen.
Tony Mroczkowski, mede-auteur van het Nature-artikel en onderzoeker bij ESO, legt uit dat ‘dit systeem enorme contrasten vertoont. De hete thermische component zal gedurende de evolutie van het systeem een belangrijk deel van de koude component verwoesten: we zijn dus getuige van een delicate transitie.’ Hij concludeert dat ‘het een observationele bevestiging is van allang bestaande theoretische voorspellingen over de vorming van de grootste objecten in het heelal die door de zwaartekracht bijeengehouden worden.’
De resultaten helpen de basis te leggen voor synergieën tussen ALMA en ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope (ELT), die ‘een revolutie teweeg zal brengen in het onderzoek van structuren zoals de Spinnenweb-cluster’, aldus Mario Nonino, mede-auteur van de studie en onderzoeker aan het Astronomisch Observatorium van Triëst. De ELT en zijn geavanceerde instrumenten, zoals HARMONI en MICADO, zullen in protoclusters kunnen kijken en zeer gedetailleerde informatie geven over de daarin aanwezige sterrenstelsels. In combinatie met het vermogen van ALMA om het zich vormende intraclustermedium te traceren, zal dit cruciaal inzicht geven in het ontstaan van enkele van de grootste structuren in het vroege heelal.
Bron: ESO.
Speak Your Mind