Groep sterrenstelsels ontdekt die de donkere eeuwen van het vroege heelal deed veranderen

Impressie van de drie sterrenstelsels van EGS77, omgeven door bellen geïoniseerd waterstofgas. Credit: V. Tilvi et al./National Science Foundation’s Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/KPNO/AURA

Sterrenkundigen zijn erin geslaagd om een groep ver verwijderde sterrenstelsels te ontdekken, die omgeven zijn door ‘bellen’ van geïoniseerd waterstofgas. De sterrenstelsels bestonden al 680 miljoen jaar na de oerknal (die 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond) en de waarneming laat voor het eerst sterrenstelsels zien die ervoor zorgden dat geleidelijk een eind kwam aan de ‘donkere eeuwen’ van het vroege heelal. Die periode begon al 380.000 jaar na de oerknal, toen op het moment van ‘het laatste oppervlak van de verstrooiing’ de temperatuur door de uitdijing van het heelal zodanig was afgekoeld (tot 3000 K), dat atoomkernen en elektronen konden combineren tot atomen en straling niet meer continu werd verstrooid, maar ongehinderd kon reizen in het heelal. Omdat er toen nog geen sterren en sterrenstelsels waren noemt men die periode de donkere eeuwen van het heelal en in die periode was alle gas elektrisch neutraal (positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen leverden netto neutrale atomen op).

Deel van de EGS met linksonder de stelsels van EGS77 – zie ook de gelabelde versie hieronder. Credit: NASA, ESA, and V. Tilvi (ASU)

Toen de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden gingen die door hun sterke winden van ultraviolette straling het hen omringende neutrale waterstofgas ioniseren en dat zorgde er voor dat de elektronen de atoomkernen weer gingen verlaten en er geïoniseerd waterstofgas overbleef. Dat ioniseren ging in bellen, waarbij eerst de gebieden dichtbij de sterren(-stelsels) werden geïoniseerd en dat gebied steeds groter werd. Met de infraroodtelescoop NEWFIRM verbonden aan de  4-meter Mayall Telescoop van het Kitt Peak National Observatorium in de VS heeft men nu drie sterrenstelsels ontdekt, die gelegen zijn in dergelijke bellen van geïoniseerd waterstofgas. Ze komen voor in een gebied aan de hemel dat de EGS wordt genoemd, dat staat voor de Extended Groth Strip, een gebied in de sterrenbeelden Grote Beer en Ossenhoeder dat al in 2005 met de Hubble ruimtetelescoop is gefotografeerd. Het is een smalle strook aan de hemel, als je je arm uitstrekt nog geen halve vinger breed en er bevinden zich in die strook ongeveer 50.000 sterrenstelsels. Het gevonden drietal sterrenstelsels heet EGS77 en zij vormen het eerste bewijs van sterrenstelsels, die met hun UV-straling een einde maakte aan de ‘kosmische mist’. Alle drie de stelsels laten sterke emissielijnen in waterstof zien, die men Lyman alphastraling noemt (golflengte 121,6 nanometer) en op basis van de roodverschuiving van die straling (z=7,7) weet men dat de stelsels al 680 miljoen jaar na de oerknal voorkwamen. De bellen rondom de drie stelsels zijn ongeveer 2,2 miljoen lichtjaar in doorsnede, groot genoeg om elkaar te overlappen.

In de groene cirkels linksonder de drie stelsels van EGS77. Credit: NASA, ESA, and V. Tilvi (ASU)

Hieronder een video over de ontdekking van EGS77.

Het nieuws over de ontdekking van EGS77 werd deze week bekendgemaakt op de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Honolulu, Hawaï. Hier het vakartikel dat over EGS77 werd gepubliceerd.

Bron: Phys.org + NASA.

Hoe zit dat nou met ionisatie, on-ionisatie en reïonisatie?

Voorstelling van sterrenstelsels in het tijdperk van de reïonisatie. Credit:M. Alvarez (http://www.cita.utoronto.ca/~malvarez), R. Kaehler, and T. Abel/ESO

Gisteren werd bekend dat men gebruikmakend van zowel de Hubble ruimtetelescoop als de Very Large Telescope in Chili het verst verwijderde sterrenstelsel ooit heeft ontdekt, eentje met een ingewikkelde naam – UDFy-38135539 voor de liefhebbers – en dat deze maar liefst 13,1 miljard lichtjaar van ons vandaan staat. Dat stelsel zou 600 miljoen jaar na de oerknal zijn voorgekomen, ten zijde van de zogenaamde reïonisatie. Zojuist lees ik op Twitter dat de Planck-satelliet in feite moet lachen (voor zover technisch mogelijk) om deze waarneming, nou ja het staat er niet letterlijk, maar het komt er wel op neer. Planck neemt al meer dan een jaar de Kosmische Microgolf-achtergrondstraling (CMB) waar en die is een poepie ouder dan UDFy-3813553. De fotonen van die achtergrond dateren namelijk van 380.000 jaar na de oerknal, dus in afstand uitgedrukt: 13,7 miljard lichtjaar van ons vandaan. 😯 Afijn, waar ik even naar toe wil is dat proces van ionisatie, on-ionisatie en reïonisatie, die je in al de berichten erover tegenkomt. Ik ben niet zo thuis in de chemie, maar voorzover ik het begrijp wil ionisatie niets anders zeggen dan dat atoomkernen en electronen – in dit geval van waterstof – zich scheiden en dat kwam in de eerste vroege fase van het heelal, kort na de oerknal, voor. Dat duurde tot het moment dat het heelal door z’n uitdijing afkoelde tot zo’n 4000 K en toen trad de fase van recombinatie in, oftewel on-ionisatie. Dat wil zeggen dat de electronen en protonen (de waterstofkernen) weer aan elkaar gekoppeld werden en neutraal waterstof vormden. Die fase startte zoals gezegd 380.000 jaar na de oerknal en de CMB die satellieten als COBE, WMAP en nu dus Planck hebben geobserveerd dateert exact van dat moment.

Vóór het moment van recombinatie werden de fotonen voortdurend heen en weer gekaatst tussen de vrije electronen en protonen en dus was er geen ongehinderd ‘verkeer’ van fotonen, van licht dus. Daarna was dat vrije verkeer er wel en da’s de reden dat genoemde satellieten de fotonen van de CMB vanaf dat moment wel kunnen zien.

De ‘Dark Ages’ van het heelal

Alle fasen weergegeven in een schema. Credit: Djorgovski et al, (Caltech).

Ondanks dat vrije verkeer van fotonen gaat het heelal na de recombinatie een lange, donkere tijd tegemoet die men ook wel de ‘dark ages’ van het vroege heelal noemt. Huh, waarom eigenlijk, die fotonen kunnen toch ongehinderd reizen? Nou, eenvoudig omdat er behalve de CMB geen enkele andere lichtbron was. Er waren geen sterren, geen sterrenstelsels, niets wat licht gaf. Pas tussen ongeveer 150 miljoen en 800 miljoen jaar na de oerknal onstaan hier en daar de eerste sterren en vanaf 400 miljoen jaar ook de eerste sterrenstelsels. En – tatararatáááá- waar zorgden die allereerste sterren en sterrenstelsels met hun enorme ultraviolette straling voor? Dat die recombinatie of on-ionisatie weer teniet werd gedaan en dat er opnieuw sprake was van een ionisatie. Door dat UV-licht kregen de electronen genoeg energie om zich los te weken van de protonen en was het gedaan met het neutrale waterstof. Vandaar de term reïonisatie, waarmee ook een einde kwam aan de donkere periode van het heelal. Op de afbeelding links hierboven zie je een voorstelling van de allervroegste sterrenstelsels in die fase van reïonisatie. En rechts een schema met al die verschillende fasen op een rijtje. Morgen zal ik een video van laten zien van die reïonisatiefase ten tijde van UDFy-38135539, nu ga ik even kijken of ‘t beneden allemaal goed gaat bij ‘t ‘Proud to be Foud’ feestje van m’n dochter. 🙂 Bron: ESO en Wikipedia.