Persbericht

Astronomen zijn getuige van geboorte van zeer verre cluster van sterrenstelsels in het vroege heelal

29 maart 2023

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.

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.

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.

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.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16’, dat in Nature verschijnt (doi: 10.1038/s41586-023-05761-x).

Het onderzoeksteam bestaat uit Luca Di Mascolo (Universiteit van Triëst, Italië [UT]; INAF – Osservatorio Astrofisico di Trieste, Italië [INAF Trieste]; IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe, Italië [IFPU]), Alexandro Saro (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN – Sezione di Trieste, Italië [INFN]), Tony Mroczkowski (European Southern Observatory, Duitsland [ESO]), Stefano Borgani (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN), Eugene Churazov (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Duitsland; Space Research Institute, Rusland), Elena Rasia (INAF Trieste; IFPU), Paolo Tozzi (INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italië), Helmut Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, Spanje; Universidad de La Laguna, Spanje), Kaustuv Basu (Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Duitsland), Christopher L. Carilli (National Radio Astronomy Observatory, VS), Michele Ginolfi (ESO; Dipartimento di Fisica e Astronomia, Universiteit van Florence, Italië), George Miley (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden), Mario Nonino (UT), Maurilio Pannella (UT; INAF Trieste; IFPU), Laura Pentericci (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), Francesca Rizzo (Cosmic Dawn Center, Denemarken; Niels Bohr Institute, Denemarken).

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, in samenwerking met de Republiek Chili. ALMA wordt gefinancierd door ESO (namens haar lidstaten), door de NSF in samenwerking met de National Research Council of Canada (NRC) en de National Science Council of Taiwan (NSC), en door NINS in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO (namens haar lidstaten); door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat namens Noord-Amerika wordt bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).

Links

•           Onderzoeksartikel

•           Foto's van ALMA

•           Meer over ESO’s Extremely Large Telescope

•           Voor journalisten: abonneer je op persberichten in je eigen taal

•           Voor wetenschappers: heb je een verhaal? Promoot je onderzoek!

Contact

Luca Di Mascolo
University of Trieste
Trieste, Italy
E-mail: luca.dimascolo@units.it

Tony Mroczkowski
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6174
E-mail: tony.mroczkowski@eso.org

Alexandro Saro
University of Trieste
Trieste, Italy
E-mail: asaro@units.it

Juan Carlos Muñoz Mateos
ESO Media Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6176
E-mail: press@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