Persbericht

Verre sterrenstelsels in de optrekkende kosmische mist

Nieuwe VLT-waarnemingen brengen reïonisatieproces in kaart

12 oktober 2011

Astronomen hebben met ESO’s Very Large Telescope voor verschillende tijdstippen het vroege heelal gepeild, terwijl dit doorzichtig werd voor ultraviolette straling. Die korte fase in de geschiedenis van het heelal – die het reïonisatietijdperk wordt genoemd – voltrok zich ongeveer dertien miljard jaar geleden. Nauwkeurig onderzoek van enkele van de verste sterrenstelsels die we kennen, heeft het team in staat gesteld om het chronologische verloop van de reïonisatie in kaart te brengen. Daaruit blijkt dat het reïonisatietijdperk korter heeft geduurd dan tot nu toe werd gedacht.

Een internationaal team van astronomen heeft de VLT als tijdmachine gebruikt, om terug te kijken in het vroege heelal en enkele van de verste sterrenstelsels die we kennen waar te nemen. Het is hen gelukt om de afstanden van de stelsels nauwkeurig te meten. Uit die metingen blijkt dat we deze stelsels zien zoals ze 780 miljoen tot een miljard jaar na de oerknal waren [1].

De nieuwe waarnemingen maken het mogelijk om de gebeurtenissen in het zogeheten reïonisatietijdperk [2] op een rijtje te zetten. Tijdens deze fase trok de mist van waterstofgas in het jonge heelal op, waardoor ultraviolet licht zich voor het eerst ongehinderd door de ruimte kon voortplanten.

De nieuwe resultaten, die zullen verschijnen in The Astrophysical Journal, zijn gebaseerd op een lange systematische zoektocht naar verre sterrenstelsels, die de afgelopen drie jaar met de VLT is uitgevoerd.

‘Archeologen kunnen het verleden reconstrueren aan de hand van de voorwerpen die ze in verschillende bodemlagen vinden. Astronomen kunnen een stapje verder gaan: wij kunnen rechtstreeks in het verre verleden kijken en het zwakke licht van verre sterrenstelsels in verschillende ontwikkelingsstadia waarnemen,’ legt projectleider Adriano Fontana van de sterrenwacht van Rome (INAF-OAR) uit. ‘De verschillen tussen de sterrenstelsels vertellen ons iets over de veranderende omstandigheden in het heelal ten tijd van deze belangrijke periode, en de snelheid waarmee deze veranderingen zich hebben voltrokken.’

De verschillende chemische elementen zenden op karakteristieke golflengten helder licht uit. Deze helderheidspieken worden emissielijnen genoemd. Een van de sterkste emissielijnen in het ultraviolet is de Lyman-alfalijn, die afkomstig is van waterstofgas [3]. Deze is helder en herkenbaar genoeg om zelfs bij zwakke, verre sterrenstelsels waarneembaar te zijn.

De detectie van de Lyman-alfalijn van vijf zeer verre sterrenstelsels [4] maakte twee belangrijke metingen mogelijk. Door te meten hoe ver deze lijn naar de rode kant van het spectrum was opgeschoven, konden de astronomen de afstanden van de stelsels bepalen, waaruit volgt hoe kort na de oerknal deze worden waargenomen [5]. Dit maakte het mogelijk om de sterrenstelsels op chronologische volgorde te zetten, wat inzicht geeft in de evolutie van het licht van de stelsels. Daarnaast konden zij zien in welke mate de uitgezonden Lyman-alfastraling – die afkomstig is van het gloeiende waterstofgas tussen de stelsels – op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis weer werd geabsorbeerd door de mist van neutraal waterstofgas in de intergalactische ruimte.

‘Tussen de eerste en de laatste stelsels in onze steekproef is een groot verschil te zien in de absorptie van ultraviolet licht,’ zegt hoofdauteur Laura Pentericci van de INAF sterrenwacht van Rome. ‘Toen het heelal pas 780 miljoen jaar oud was, vulde het neutrale waterstofgas nog tien tot vijftig procent van het volume van het heelal. Maar slechts tweehonderd miljoen jaar later was de hoeveelheid neutrale waterstof al tot een zeer laag niveau gedaald – tot ongeveer de huidige waarde. Het lijkt erop dat de reïonisatie sneller is gegaan dan astronomen tot nu toe dachten.’

Uit de waarnemingen blijkt niet alleen hoe snel de kosmische mist is opgetrokken, ook is de waarschijnlijke bron van ultraviolette straling ontdekt die de energie voor het reïonisatieproces heeft geleverd. Er bestaan verschillende theorieën over de oorsprong van deze intense straling: de belangrijkste kandidaten zijn de eerste generatie van sterren [6] en de hete materie die door zwarte gaten wordt opgeslokt.

‘De gedetailleerde analyse van het zwakke licht van twee van de verste sterrenstelsels die we hebben gevonden, wijst erop dat de eerste generatie van sterren aan de waargenomen energieproductie kan hebben bijgedragen,’ zegt teamlid Eros Vanzella van de INAF sterrenwacht van Triëst. ‘Deze jonge, zware sterren – vijfduizend keer zo jong en honderd keer zo zwaar als de zon – kunnen in staat zijn geweest om de oermist op te lossen en doorzichtig te maken.’

De zeer nauwkeurige metingen die nodig zijn om deze hypothese te bevestigen of te ontkrachten, en aan te tonen dat de eerste sterren de benodigde energie konden leveren, kunnen alleen worden gedaan met een ruimtetelescoop of met de toekomstige European Extremely Large Telescope die, als hij begin volgend decennium is voltooid, het grootste oog op de hemel ter wereld zal zijn.

Het onderzoek van deze vroege periode in de kosmische geschiedenis is heel moeilijk, omdat het nauwkeurige waarnemingen van extreem verre en zwakke sterrenstelsels vereist, die alleen met de allergrootste telescopen kunnen worden gedaan. Voor dit onderzoek heeft het team het grote lichtopvangend vermogen van de 8,2-meter VLT gebruikt om spectroscopische waarnemingen te doen van sterrenstelsels die zijn opgespoord met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA en op lang belichte opnamen van de VLT zelf.

Noten

[1] Het verste sterrenstelsel waarvan de afstand met spectroscopie is vastgesteld, heeft een roodverschuiving van 8,6, wat overeenkomt met 600 miljoen jaar na de oerknal (eso1041). Met de Hubble-ruimtetelescoop is nog een kandidaatstelsel opgespoord met een roodverschuiving van ongeveer 10 (= 480 miljoen jaar na de oerknal), maar dat moet nog bevestigd worden. Het verste stelsel in dit onderzoek heeft een roodverschuiving van 7,1, wat betekent dat het waargenomen licht 780 miljoen jaar na de oerknal is uitgezonden. Het heelal is nu 13,7 miljard jaar oud. De nieuwe steekproef van vijf bevestigde sterrenstelsels met Lyman-alfadetecties (uit twintig kandidaten) vertegenwoordigt de helft van alle bekende sterrenstelsels met een roodverschuiving groter dan 7.

[2] Toen de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden, was het heelal gevuld met elektrisch neutraal waterstofgas, dat ultraviolet licht absorbeert. Doordat de ultraviolette straling van deze vroege stelsels het gas ioniseerde (een elektrische lading gaf), werd de ruimte geleidelijk doorzichtig voor ultraviolet licht. Dit proces wordt reïonisatie genoemd, omdat het kosmische waterstofgas ook in de eerste honderdduizend jaar na de oerknal vermoedelijk enige tijd geïoniseerd is geweest.

[3] Het team heeft de effecten op de waterstofmist gemeten met spectroscopie, een techniek waarbij het licht van een sterrenstelsel in zijn samenstellende kleuren wordt gesplitst, ongeveer zoals een prisma het zonlicht tot een regenboog uitsmeert.

[4] Het team gebruikte de VLT om de spectra van twintig kandidaatstelsels, verspreid over drie verschillende hemelgebiedjes, met roodverschuivingen van om en nabij 7 te bestuderen. Van deze twintig spectra bleken er vijf duidelijke Lyman-alfalijnen te vertonen. Dit is momenteel de enige verzameling van spectroscopisch bevestigde sterrenstelsels met roodverschuivingen van ongeveer 7.

[5] Doordat het heelal uitdijt, worden lichtgolven die zich door de ruimte voortplanten uitgerekt. Hoe groter de afstand die het licht aflegt, des te langer wordt zijn golflengte. Omdat rood licht de langste golflengte heeft die we met onze ogen kunnen waarnemen, wordt de karakteristieke roodverkleuring die extreem verre objecten door dit effect vertonen ‘roodverschuiving’ genoemd. Hoewel zij strikt genomen slechts een maat is voor de golflengteverandering van het licht van een object, is zij indirect ook een maat voor de afstand van het object en voor het moment waarop we dit object zien.

[6] Astronomen verdelen sterren in drie categorieën, die populatie I, populatie II en populatie III worden genoemd. Sterren van populatie I, zoals onze zon, bevatten veel elementen zwaarder dan helium, die in het inwendige van eerdere sterren en bij supernova-explosies zijn geproduceerd. Deze sterren bestaan dus uit het puin dat eerdere generaties van sterren hebben achtergelaten en zijn pas later op het kosmische toneel verschenen. Sterren van populatie II bestaan voornamelijk uit het waterstof, helium en lithium dat bij de oerknal is ontstaan. Deze oude sterren zijn relatief lang geleden ontstaan, maar veel ervan bestaan nog steeds. Sterren van populatie III zijn nog nooit rechtstreeks waargenomen: zij bestonden alleen in de begintijd van het heelal. Omdat zij geheel waren opgebouwd uit materie die bij de oerknal was ontstaan, bevatten deze sterren helemaal geen zwaardere elementen. Aangezien elementen zwaarder dan helium een belangrijke rol spelen bij de vorming van vooral de wat lichtere sterren, konden aanvankelijk alleen zeer zware sterren met een zeer korte levensduur ontstaan. Alle sterren van populatie III zijn daardoor al heel vroeg door supernova-explosies aan hun einde gekomen. Tot nu toe is zelfs bij waarnemingen van zeer verre sterrenstelsels geen doorslaggevend bewijs gevonden voor de aanwezigheid van sterren van Populatie III. 

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek worden gepresenteerd in het artikel ‘Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGs: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization’, dat in The Astrophysical Journal zal verschijnen.

Het onderzoeksteam bestaat uit L. Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rome, Italië [INAF-OAR]), A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Triëst, Italië [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Duitsland), K. Boutsia (INAF-OAR), S. Cristiani (INAF-OAT), M. Dickinson (National Optical Astronomy Observatory, Tucson, VS), E. Giallongo (INAF-OAR), M. Giavalisco (University of Massachusetts, Amherst, VS), R. Maiolino (INAF-OAR), A. Moorwood (ESO, Garching), P. Santini (INAF-OAR).

ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, is de belangrijkste intergouvernementele sterrenkundeorganisatie in Europa, en het meest productieve astronomische observatorium ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, 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 het beheer van krachtige grondobservatoria die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. ESO speelt ook een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op sterrenkundig gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. Ook is ESO de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste sterrenkundige project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optische/nabij-infrarood Telescoop (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel
• Foto’s van de VLT

Contact

Dr. Laura Pentericci
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel: +39 06 94 286 450
E-mail: laura.pentericci@oa-roma.inaf.it

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel: +39 06 94 286 456
E-mail: adriano.fontana@oa-roma.inaf.it

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Marieke Baan (Perscontact Nederland)
ESO Science Outreach Network en NOVA Informatie Centrum
Tel: +31(0)20-5257480
E-mail: eson-netherlands@eso.org

Connect with ESO on social media