Het verschil tussen fotometrische en spectroscopische roodverschuiving

Credit: Golubchik et al. (2022)

Sinds juli 2022 zien we met de regelmaat van de klok nieuwsberichten van de Webb ruimtetelescoop, die met zijn infraroodogen veel verder de ruimte in kan kijken dan welke andere telescoop dan ook en dat levert een stroom aan ontdekkingen op, van sterrenstelsels die steeds verder weg gelegen zijn en steeds vroeger in het heelal al bestonden. Om precies te weten hoe ver weg een sterrenstelsel staat en daarmee hoe oud een sterrenstelsel is moeten we de exacte afstand van het sterrenstelsel weten. En daarvoor gebruiken sterrenkundigen het licht van het sterrenstelsel dat de aarde bereikt, in het geval van Webb is dat infraroodlicht (golflengten 0,6–28,3 μm). Want met dat licht – in de meeste gevallen maar een héél klein beetje licht, vaak versterkt door kosmische zwaartekrachtlenzen – kan men de roodverschuiving ^[1]Ik heb eerder al eens aandacht geschonken aan het begrip roodverschuiving en deze Astroblog heeft er ook mee te maken. meten en daarmee de afstand bepalen. Met de Webb ruimtetelescoop kan men op twee manieren de roodverschuiving van sterrenstelsels meten, de fotometrische en de spectroscopische roodverschuiving.

Links zijn zes breedbandfilters te zien. Rechts de best-fitting redshift die het heeft opgeleverd. Credit: Micaela Bagley

De fotometrische roodverschuiving
In de instrumenten van Webb, zoals diens NIRCam (Near-Infrared Camera) instrument, zitten vele filters ingebouwd, elk kijkend naar een bepaald deel van het IR-spectrum, in het geval van NIRCam tussen 0,6 en 5 μm. Het licht dat een sterrenstelsel uitstraalt wordt geproduceerd door de sterren en dat hangt weer af van de snelheid van de stervorming in het stelsel. Maar dat wordt ook weer beïnvloed door de hoeveelheid gas en stof, die zowel emissie als absorptie als spectrale ‘breaks’ van licht kunnen veroorzaken. Per filter kan van een stelsel een bepaalde hoeveelheid licht worden ontvangen en met modellen is men in staat om aan de hand van die lichthoeveelheid per filter een ‘best-fitting redshift’ te bepalen. In de afbeeldingen hierboven en -onder zie je voorbeelden van waarnemingen met Webb aan fotometrische roodverschuivingen.

Credit: Top panel—Finkelstein et al (2023) ; Bottom panel—Donnan et al (2023)

In juli 2022 kon men in het kader van de CEERS Survey met NIRCam de roodverschuiving meten van twee sterrenstelsels, de ene met een roodverschuiving z ∼ 11,5 en de ander zelfs met z ∼ 16,4, d.w.z. dat de stelsels al 390 miljoen resp. 240 miljoen jaar na de oerknal bestonden. Probleem met de fotometrische roodverschuiving is echter dat er veel onzekerheid in zit, dat bijvoorbeeld in één filter weliswaar een spectral break te zien is, maar dat niet precies bekend is welke golflengte die break heeft. Ook kunnen roodgekleurde sterrenstelsels die veel stof bevatten heel ver weg lijken te zijn, terwijl ze in werkelijkheid een stuk dichterbij staan. En dat bleek inderdaad het geval te zijn met het z ∼ 16,4 sterrenstelsel.

Credit: Figures 2 and 3 from Arrabal Haro et al (2023)

Spectroscopische roodverschuiving
Bij de spectroscopische roodverschuiving in men in staat om van het beetje licht dat men van een sterrenstelsel heeft een spectrum te maken, een plaatje dat laat zien hoeveel licht er per golflengte binnenkomt. Daarin zijn spectrale breaks, emissie- en absorptielijnen te zien, maar nu zijn de daarbij behorende golflengten te zien. Door de expansie van het heelal zijn die lijnen naar de rode kant van het spectrum verschoven (vandaar dat het roodverschuiving heet) en als men die lijnen dan vergelijkt met de lijnen bij stilstand (gemeten in het laboratorium) dan kan men precies de roodverschuiving z meten en daarmee de afstand. Februari 2023 was het CEERS team in staat om spectra te maken van de twee stelsels die de zomer er voor fotometrisch waren gemeten – zie de afbeelding hierboven. Wat bleek: het sterrenstelsel met z ∼ 11,5 – Maisie’s sterrenstelsel geheten – bleek inderdaad te kloppen, men kwam nu uit op z ∼ 11,4. Maar het z ∼ 16,4 bleek helemaal niet te kloppen, die had een roodverschuiving van slechts z ∼ 4,9 (d.w.z. dat hij 1,2 miljard jaar na de oerknal bestond). Dergelijke ‘ontmaskeringen’ zijn voor de sterrenkundigen ook leerzaam, want daardoor weten ze beter wat er precies speelt in dergelijke sterrenstelsels, zodat ze daar bij volgende fotometrische roodverschuivingen rekening mee kunnen houden.

Bron: Phys.org.

Gerelateerde Astroblogs:

Mogelijk kan de top-10 van verste sterrenstelsels in het heelal weer herzien worden – dankzij Webb/JADES