ALMA ziet verborgen donker dwergstelsel in gravitatielens SDP.81

Credit: Y. Hezaveh, Stanford Univ.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope

Met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een enorme sub-millimeter-telescoop in de hooggelegen Atacama vlakte Chili, heeft men in de gravitatielens genaamd SDP.81 een kleine lichtvlek ontdekt, die veroorzaakt wordt door een verborgen dwergsterrenstelsel, dat bestaat uit donkere materie – hierboven zie je ‘m, de rode rond rondom de blauwe centrale vlek. Die vlek is een groot sterrenstelsel op een afstand van vier miljard lichtjaar. Precies achter dat stelsel, gezien vanaf de aarde, ligt nog een ander sterrenstelsel en dat ligt op maar liefst twaalf miljard lichtjaar afstand. Het licht van het erachter liggende stelsel passeert op weg naar de aarde het tussenliggende sterrenstelsel en merkt daar de invloed van de ruimte die gekromd is door dat tussenliggende stelsel, dat als een soort van lens fungeert voor het licht dat van achteren komt. Door die kromming buigt het licht van het achterste stelsel en vormt een lens óf in dit geval een ring, een zogeheten Einsteinring. Hieronder zie je een animatie hoe de ring bij SDP.81 gevormd is.

ALMA_StrongLensing_SDP81_NRAO from NRAO Outreach on Vimeo.

Het opmerkelijke is dat in het linkerdeel van de ring een klein blauw lichtvlekje te zien is. Computeranalyse laat zien dat er in de halo van het centrale lensstelsel nog een ander, veel kleiner sterrenstelsel moet zijn, dat grotendeels uit donkere materie bestaat. Dat laatste wordt afgeleid uit het feit dat er van dat satellietstelsel niets te zien is. Als dwergstelsels zoals deze uit donkere materie bestaan en niet uit gewone materie zou dit een verklaring kunnen bieden voor de waarneming dat er minder dwergstelsels rondom gewone sterrenstelsels voorkomen dan de modellen voorspellen. Hier het vakartikel over de ontdekking van het donkere dwergstelsel. Bron: NRAO.

Zo gedetailleerd zagen we het verre heelal nog nooit

Montage van de Einsteinring van SDP.81 en het gelenste sterrenstelsel. Credit:
ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

ALMA’s Long Baseline Campaign heeft een spectaculair detailrijke opname opgeleverd van een ver sterrenstelsel. De foto toont een ‘gravitationeel vergroot’ beeld van de stervormingsgebieden in het stelsel. Nooit eerder zijn zulke stellaire kraamkamers in zo’n ver sterrenstelsel zo duidelijk in beeld gebracht. De nieuwe waarnemingen zijn vele malen detailrijker dan de opnamen die met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA zijn gemaakt. Het sterrvormingsgebieden zijn een soort grote versie van de bekende Orionnevel.

ALMA’s Long Baseline Campaign heeft ongekend gedetailleerde informatie opgeleverd over objecten in het nabije en verre heelal. Bij waarnemingen die eind 2014 in het kader van deze campagne zijn gedaan was het verre sterrenstelsel SDP.81doelwit. Het licht van dit stelsel is onderhevig aan een kosmisch verschijnsel dat het gravitatielenseffect wordt genoemd. Tussen SDP.81 en ALMA staat een ander stelsel [1]Het verre sterrenstelsel wordt gezien in een tijd dat het heelal nog maar 15 procent van zijn huidige leeftijd had: slechts 2,4 miljard jaar na de oerknal. Zijn licht heeft er meer dan de tweemaal de … Continue reading dat als een lens fungeert. De zwaartekracht van dit lensstelsel vervormt het beeld van het verre sterrenstelsel tot een bijna volmaakte Einsteinring [2]Het bestaan van gravitatielenzen is voorspeld door Albert Einstein. Diens algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat objecten een kromming van ruimte en tijd veroorzaken. Licht dat in de omgeving … Continue reading.

ALMA’s Long Baseline Campaign heeft een spectaculair detailrijke opname opgeleverd van een ver sterrenstelsel. De foto toont een ‘gravitationeel vergroot’ beeld van de stervormingsgebieden in het stelsel – grote soortgenoten van de bekende Orionnevel. Nooit eerder zijn zulke stellaire kraamkamers in zo’n ver sterrenstelsel zo duidelijk in beeld gebracht – de nieuwe waarnemingen zijn vele malen detailrijker dan eerdere opnamen, zoals die van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. Het gereconstrueerde beeld van het verre sterrenstelsel, gebaseerd op geavanceerde modellen van de vergrotende gravitatielens, laat fijne structuren binnen de ring zien die nog nooit eerder zijn waargenomen: diverse stofrijke wolken in het stelsel, waarvan wordt aangenomen dat het reusachtige wolken van koud moleculair gas zijn – de kraamkamers van sterren en planeten. N.B. Sommige van de kleinere structuren die hier te zien zijn, zouden beeldfouten kunnen zijn die door het reconstructieproces zijn veroorzaakt. Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Mark Swinbank (Durham University)

Meerdere teams van wetenschappers [3]Hieronder is een overzicht van de wetenschappelijke teams te vinden. hebben onafhankelijk van elkaar de ALMA-gegevens van SDP.81 geanalyseerd. Dat leverde een stortvloed aan onderzoeksartikelen op met ongekende informatie over het stelsel, waaronder details over zijn structuur, inhoud en bewegingen.ALMA werkt als een interferometer. Eenvoudig gezegd vormen de antennes van de array één kolossale virtuele telescoop [4]De beeldscherpte van ALMA is op z’n grootst wanneer de antennes zo ver mogelijk uit elkaar staan – tot wel 15 kilometer. Ter vergelijking zijn hier eerdere waarnemingen van … Continue reading. Bij gevolg hebben deze nieuwe opnamen van SDP.81 een zesmaal zo hoge resolutie (beeldscherpte) [5]In deze gegevens zijn details tot 0,023 boogseconde, oftewel 23 milliboogseconden, te zien. Hubble heeft dit stelsel in het nabij-infrarood waargenomen, met een resolutie van ongeveer 0,16 … Continue reading als de infraroodopnamen die met de Hubble-ruimtetelescoop van ESA en NASA zijn gemaakt.

Einstein Ring SDP.81 gezien met ALMA. Credit:
ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)

De geavanceerde modellen van de astronomen tonen een fijne, nooit eerder waargenomen structuur binnen SDP.81, in de vorm van stofrijke wolken waarvan wordt vermoed dat ze grote hoeveelheden koud moleculair gas bevatten. Zulke wolken zijn de geboorteplaatsen van sterren en planeten.De modellen van de astronomen konden de vervorming corrigeren die door het gravitatielenseffect ontstaat. Daardoor zijn de waarnemingen zo scherp dat onderzoekers stervormingsgebieden met afmetingen tot 100 lichtjaar in het sterrenstelsel kunnen zien. De stervormingsgebieden lijken op een grote versie van de Orionnevel. Ze produceren duizenden keren meer nieuwe sterren. Het is voor het eerst dat dit verschijnsel op zo’n enorme afstand is waargenomen.

Het door Hubble gefotografeerde gebied rondom SDP.81. Credit:
The NASA/ESA Hubble Space Telescope

De gereconstrueerde ALMA-opname van het sterrenstelsel is spectaculair,’ zegt Rob Ivison, mede-auteur van twee van de artikelen en wetenschappelijk directeur van ESO. ‘ALMA’s enorme opvangende oppervlak, de grote afstanden tussen haar antennes en de stabiele atmosfeer boven de Atacamawoestijn dragen allemaal bij aan de voortreffelijke detailrijkdom van zowel beelden als spectra. Dat levert niet alleen heel gevoelige waarnemingen op, maar ook informatie over de wijze waarop de verschillende delen van het sterrenstelsel bewegen. We kunnen stelsels aan de andere kant van het heelal onderzoeken die bezig zijn om samen te vloeien en enorme aantallen sterren produceren. Voor zulke dingen mag je me ‘s morgens wakker maken!‘Met behulp van de spectrale informatie die met ALMA is verkregen, hebben astronomen ook gemeten hoe het verre stelsel roteert, en een schatting van zijn massa gemaakt. De gegevens laten zien dat het gas in dit stelsel instabiel is: samenballingen van gas zijn bezig samen te trekken en zullen in de toekomst waarschijnlijk in nieuwe grote stervormingsgebieden veranderen.

Opmerkelijk is ook dat de modellen van het lenseffect erop wijzen dat zich in het centrum van het voorgrondstelsel, dat als lens fungeert, een superzwaar zwart gat bevindt [6]Bij die hoge resolutie zouden onderzoekers het centrale deel van het achtergrondstelsel moeten kunnen zien. Dat zou dan in het midden van de Einsteinring verschijnen. Als het voorgrondstelsel – … Continue reading. Het centrale deel van SDP.81 is te zwak om waarneembaar te zijn, wat tot de conclusie leidt dat het voorgrondstelsel een centraal zwart gat heeft dat meer dan 200 á  300 miljoen maal zoveel massa heeft als de zon. Het aantal artikelen dat op basis van deze ene ALMA-dataset is gepubliceerd bewijst hoeveel opwinding het grote potentieel van de array onder astronomen veroorzaakt. Het laat ook zien dat ALMA astronomen de komende jaren tot nog meer ontdekkingen in staat zal stellen, en nog meer vragen over de aard van verre sterrenstelsels kan helpen beantwoorden.

Bron: ESO.

References[+]

References
1 Het verre sterrenstelsel wordt gezien in een tijd dat het heelal nog maar 15 procent van zijn huidige leeftijd had: slechts 2,4 miljard jaar na de oerknal. Zijn licht heeft er meer dan de tweemaal de leeftijd van de aarde over gedaan om ons te bereiken (11,4 miljard jaar). Daarbij heeft het een omweg gemaakt langs een zwaar voorgrondstelsel dat met een afstand van vier miljard lichtjaar relatief dichtbij staat.
2 Het bestaan van gravitatielenzen is voorspeld door Albert Einstein. Diens algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat objecten een kromming van ruimte en tijd veroorzaken. Licht dat in de omgeving van zo’n object terechtkomt, volgt vanzelf de kromming die door het object wordt veroorzaakt. Hierdoor kunnen met name de zwaarste objecten – enorme sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels – als kosmische vergrootglazen fungeren. Een Einsteinring is een bijzonder soort gravitatielens waarbij de aarde, het lensstelsel op de voorgrond en het achtergrondstelsel exact op één lijn staan. In dat geval wordt het licht van het verre stelsel uitgesmeerd tot een ring. Dit verschijnsel wordt toegelicht in Video A.
3 Hieronder is een overzicht van de wetenschappelijke teams te vinden.
4 De beeldscherpte van ALMA is op z’n grootst wanneer de antennes zo ver mogelijk uit elkaar staan – tot wel 15 kilometer. Ter vergelijking zijn hier eerdere waarnemingen van gravitatielenzen te vinden, die met ALMA in een compacte configuratie van slechts ongeveer 500 meter zijn gemaakt.
5 In deze gegevens zijn details tot 0,023 boogseconde, oftewel 23 milliboogseconden, te zien. Hubble heeft dit stelsel in het nabij-infrarood waargenomen, met een resolutie van ongeveer 0,16 boogseconde. Daarbij moet wel worden opgemerkt dat de ruimtetelescoop op kortere golflengten een aanzienlijk hogere resolutie kan bereiken – tot 0,022 boogseconde in het nabij-ultraviolet. Afhankelijk van het soort waarnemingen kan de resolutie van ALMA worden aangepast door de antennes verder uiteen of dichter bij elkaar te zetten. Voor deze waarnemingen is de grootst mogelijke configuratie gebruikt, wat de hoogst mogelijke resolutie opleverde.
6 Bij die hoge resolutie zouden onderzoekers het centrale deel van het achtergrondstelsel moeten kunnen zien. Dat zou dan in het midden van de Einsteinring verschijnen. Als het voorgrondstelsel – de ‘lens’ – echter een superzwaar zwart gat in zijn centrum heeft, wordt dat centrale beeld zwakker. De zwakte van het centrale beeld geeft een indicatie van de massa van het zwarte gat in het voorgrondstelsel.

ALMA fotografeert Einsteinring om ‘verborgen sterrenstelsel’

Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF

We zijn ‘m al eens eerder tegengekomen, het sterrenstelsel genaamd SDP.81, twaalf miljard lichtjaar van de aarde, hier en hier in eerdere Astroblogs. SDP.81 is die oranje ring, een Einsteinring zoals sterrenkundigen het noemen. Albert Einstein was de eerste die voorstelde dat ze konden bestaan, de theoretische basis er voor legde hij precies honderd jaar geleden met z’n Algemene Relativiteitstheorie. Hoe zo’n ring ontstaat gaat als volgt: in het midden van de ring staat een voorgrondstelsel, eentje die je helemaal niet ziet, maar er wel is en z’n naam is er eentje om gauw te vergeten: SDSS J090311.57+003906.5. Dát voorgrondstelsel staat veel dichterbij dan SDP.81, ‘slechts’ vier miljard lichtjaar. Vanaf de aarde gezien staat SDP.81 precies achter SDSS J…. nog wat en dat voorgrondstelsel zorgt er met z’n massa voor dat de ruimte verbogen wordt, hetgeen er op haar beurt weer voor zorgt dat het licht van het achtergrondstelsel SDP.81 verbogen wordt tot een ring én versterkt in lichtkracht, net zoals telescooplenzen doen. vandaar dan men ook wel spreekt van een zwaartekrachts- of gravitatielens. Als zo’n lens helemaal rond is wordt gesproken van een Einsteinring. Dit exemplaar is prachtig in beeld gebracht dooor ALMA, de Atacama Large Millimetre/submillimetre Array op het Chajnantor plateau op 5000 meter hoogte in het noorden van Chili. Bron: New Scientist.