Persbericht

Waarom veel onderzoeken naar verre sterrenstelsel 90% van hun doelen niet bereiken

24 maart 2010

Astronomen weten al lang dat in veel onderzoeken naar het verre heelal een groot deel van het licht niet wordt waargenomen. Een extreem deep-sky survey met twee van de vier 8,2-meter telescopen van ESO’s Very Large Telescope (VLT) en een speciaal gebouwd filter heeft nu bevestigd dat een groot deel van de sterrenstelsels waarvan het licht er 10 miljard jaar over doet om ons te bereiken inderdaad ongezien is gebleven. Het onderzoek heeft ook enkele van de zwakste sterrenstelsels ontdekt die ooit in het jonge heelal zijn gevonden.

Astronomen maken vaak gebruik van de karakteristieke vingerafdruk van het licht van waterstofgas, ook wel bekend als de Lyman-alpha spectraallijn, om het aantal sterren dat wordt gevormd in het verre heelal [1] te onderzoeken. Men vermoedt al lang dat veel verafgelegen sterrenstelsels in deze onderzoeken onopgemerkt blijven. Het nieuwe VLT-survey laat voor het eerst zien dat dit het geval is. Veel van het Lyman-alpha licht zit gevangen in het sterrenstelsel zelf, en 90% van de sterrenstelsels is niet zichtbaar in Lyman-alpha onderzoeken.

“Astronomen wisten dat ze een deel van de sterrenstelsels niet opmerkten  in Lyman-alpha survey”,  legt Matthem Hayes uit, de eerste auteur van de paper die deze week in Nature verschijnt, “maar we hebben het nu voor het eerst gemeten. Het aantal onontdekte sterrenstelsels is aanzienlijk”.

Om te berekenen hoeveel van het totale licht ontbrak, gebruikten Hayes en zijn team de FORS-camera op de VLT en een speciaal gebouwd filter [2] om het Lyman-alpha licht te meten volgens de standaardmethode van Lyman-alpha surveys. Daarna onderzochten ze, met de nieuwe HAWK-I camera op een andere VLT-telescoop, het licht van gloeiend waterstofgas uitgezonden op een andere golflengte, dat bekend is als de H-alpha lijn. Ze keken specifiek naar sterrenstelsels waarvan het licht 10 miljard jaar had gereisd (roodverschuiving 2,2) [3], in een vaak geobserveerd deel van het heelal, dat bekend staat als het ‘GOODS-South field’.

“Dit is de eerste keer dat we een stukje van het heelal zo diep hebben waargenomen in het licht dat afkomstig is van waterstof op deze twee specifieke golflengten, en dit blijkt cruciaal”, zegt teamlid Göran Östlin. Het survey heeft enkele van de zwakste sterrenstelsels in het vroege heelal ontdekt. De astronomen concluderen dat eerdere onderzoeken die zijn gedaan met behulp van Lyman-alpha  slechts een fractie van het licht waarnemen, omdat de meeste Lyman-alpha fotonen worden vernietigd door interactie met de interstellaire gas- en stofwolken. Dit effect is nog veel duidelijker voor Lyman-alpha dan voor het H-alpha licht. Maar liefst 90% van de sterrenstelsels wordt daarom niet gezien in deze onderzoeken. “Als er tien sterrenstelsels worden gezien, kunnen er wel honderd zijn”, zegt Hayes.

Verschillende waarnemingsmethoden, gericht op verschillende golflengten, zullen altijd leiden tot een blik op het heelal die incompleet is. Uit dit onderzoekst komt een duidelijke waarschuwing voor kosmologen naar voren, omdat er steeds meer naar de Lyman-alpha kenmerken gekeken wordt bij het onderzoek naar vorming van de eerste sterrenstelsels in de geschiedenis van het heelal. “Nu we weten hoeveel licht we niet hebben gezien, kunnen we een veel nauwkeuriger beeld maken van het heelal en beter begrijpen hoe snel sterren zijn gevromd in de verschillende stadia van het leven in het heelal”, zegt co-auteur Miguel Mas-Hesse.

Deze doorbraak was mogelijk dankzij de unieke camera die werd gebruikt. HAWK-I, die ‘first light’ zag in 2007, is een ‘state-of-the-art’ instrument. “Er zijn slechts een paar camera’s met een groter gezichstveld dan HAWK-I, en die zitten op telescopen die slechts half zo groot zijn als de VLT. Dus eigenlijk is alleen VLT/HAWK-I in staat om zulke zwakke sterrenstelsels op deze afstanden efficiënt te vinden”.  zegt teamlid Daniel Schaerer.

Noten

[1] Lyman-alpha licht komt overeen met licht uitgezonden door geëxciteerd waterstof (specifieker, wanneer het elektron rond de kern van het eerste geëxciteerde niveau naar de grondtoestand terugvalt). Dit licht wordt uitgestraald in ultraviolet, op 121,6 nm. De Lyman-alpha lijn is de eerste zogenoemde Lyman serie, genoemd naar zijn ontdekker, Theodore Lyman.

De Balmer-serie, genoemd naar Johann Balmer, komt ook overeen met licht dat wordt uitgestraald door geëxciteerd waterstof. In dit geval komt het elektron terecht op het eerste geëxciteerde niveau. De eerste lijn in deze serie is de H-alpha lijn, uitgestraald op 656,3 nm.

Omdat de meeste waterstofatomen in een sterrenstelsel zich in de grondtoestand bevinden, wordt het Lyman-alpha licht efficiënter geabsorbeerd dan H-alpha licht, waar atomen nodig zijn die een elektron op het tweede niveau hebben. Omdat dit heel ongebruikelijk is in het koude interstellaire waterstofgas in sterrenstelsels, is het gas bijna perfect doorzichtig voor H-alpha licht.

[2] Een smalbandfilter is een optisch filter dat is ontworpen om slechts een smalle bandbreedte van licht door te laten op een specifieke golflengte. Traditionele smalbandfilters zijn ook gecentreerd op de lijnen van de Balmer-serie, zoals H-alpha.

[3] Omdat het heelal uitdijt, wordt het licht van een verafgelegen object naar het rood verschoven; hoeveel is afhankelijk van de afstand. Dit betekent dat het licht verschuift naar langere golflengten. Een roodverschuiving van 2,2 – wat overeenkomt met sterrenstelsels waarvan het licht er ongeveer 10 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken – betekent dat het licht is uitgerekt met een factor 3,2. Het Lyman-alpha licht wordt dus gezien op ongeveer 390 nm, dichtbij zichtbaar licht, en kan worden waargenomen met het FORS-instrument op ESO’s VLT, terwijl de H-alphalijn is verschoven naar 2,1 micron in het nabij infrarood. Het kan dus worden waargenomen met het HAWK-I instrument op de VLT.

Meer informatie

Dit onderzoek wordt gepresenteerd in een paper die verschijnt in Nature (“Escape of about five per cent of Lyman- photons from high-redshift star-forming galaxies”, door M. Hayes et al.).

Het team bestaat uit Matthew Hayes, Daniel Schaerer, en Stéphane de Barros (Observatoire Astronomique de l'Université de Genève, Zwitzerland), Göran Östlin en Jens Melinder (Stockholm University, Zweden), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, Spanje), Claus Leitherer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, VS), Hakim Atek en Daniel Kunth (Institut d'Astrophysique de Paris, Frankrijk), en Anne Verhamme (Oxford Astrophysics, Groot-Brittannië).

ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, is de belangrijkste intergouvernementele sterrenkundeorganisatie in Europa en wereldwijd het meest productieve astronomische observatorium. ESO wordt ondersteund door 14 landen: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit gericht op het ontwerp, de bouw en de exploitatie van krachtige grondobservatoria die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. ESO speelt ook een leidende rol in het bevorderen en organiseren van samenwerking in het sterrenkundig onderzoek. ESO exploiteert drie observatielocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal exploiteert ESO de Very Large Telescope (VLT), 's werelds meest geavanceerde optische observatorium en ESO is de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA. ESO is momenteel bezig met ontwerpstudies voor de 42-meter Europese Extremely Large optische/nabij-infrarood Telescoop ( E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Research paper

Contact

Matt Hayes
Observatory of Geneva, Switzerland
Tel: +41 22 379 24 32
Mob: +41 76 243 13 55
E-mail: matthew.hayes@unige.ch

Miguel Mas-Hesse
Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), Spain
Tel: +34 91 813 1196/1161
Mob: +34 615145651
E-mail: mm@cab.inta-csic.es

Göran Östlin
Department of Astronomy
Stockholm University, Sweden
Tel: +46 8 55 37 85 13
E-mail: ostlin@astro.su.se

Henri Boffin
VLT Press Officer
ESO, Garching, Germany
Tel: +49 89 3200 6222
Mob: +49 174 515 43 24
E-mail: hboffin@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media