Persbericht

VLT-waarnemingen van gammaflits onthullen verrassende ingrediënten in vroege sterrenstelsels

2 november 2011

Een internationaal team van astronomen heeft het kortstondige, maar heldere licht van een verre gammaflits gebruikt om de samenstelling van zeer verre sterrenstelsels te onderzoeken. Verrassend genoeg zijn bij de nieuwe waarnemingen, die zijn gedaan met ESO’s Very Large Telescope, twee sterrenstelsels in het jonge heelal ontdekt die meer zware elementen bevatten dan de zon. De twee stelsels zijn mogelijk bezig om samen te smelten. Zo’n gebeurtenis leidt tot de vorming van veel nieuwe sterren en zou ook gammaflitsen tot gevolg kunnen hebben.

Gammaflitsen zijn de helderste explosies in het heelal [1]. Ze worden in eerste instantie opgemerkt door satellieten die de korte uitbarsting van gammastraling detecteren waarmee de flits begint. Nadat zijn positie is vastgesteld, worden onmiddellijk grote telescopen op aarde op de gammaflits gericht. Daarmee wordt in de loop van de daaropvolgende uren en dagen het zichtbare licht en de infraroodstraling van de nagloeiende gammaflits waargenomen. Een van die uitbarstingen, GRB 090323 geheten [2], werd ontdekt door de gammasatelliet Fermi van NASA. Kort daarna werd hij opgepikt door de röntgendetector van de NASA-satelliet Swift en door het GROND-systeem van de 2,2-meter MPG/ESO-telescoop in Chili (eso1049), en slechts een dag na de explosie gedetailleerd onderzocht met ESO’s Very Large Telescope (VLT).

Uit de VLT-waarnemingen blijkt dat het heldere licht van de gammaflits dwars door zijn eigen moederstelsel en een naburig sterrenstelsel is gegaan. Deze sterrenstelsels worden gezien zoals ze ongeveer twaalf miljard jaar geleden waren [3]. Zulke verre sterrenstelsels worden maar heel zelden aangelicht door de gloed van een gammaflits.

‘Toen we het licht van deze gammaflits onderzochten, wisten we niet wat we zouden vinden. Het was een verrassing dat het koele gas in deze twee stelsels in het jonge heelal zo’n bijzondere chemische samenstelling heeft,’ aldus Sandra Savaglio (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Duitsland), hoofdauteur van het artikel waarin de nieuwe resultaten zijn opgenomen. ‘Deze sterrenstelsels bevatten meer zware elementen dan ooit eerder is waargenomen bij stelsels in zo’n vroeg evolutiestadium van het heelal. We hadden niet verwacht dat het heelal al zo snel zo chemisch volwassen was.’

Terwijl het licht van de gammaflits de beide sterrenstelsels doorkruiste, fungeerde het daarin aanwezige gas als een filter dat dit licht op bepaalde golflengten absorbeerde. Zonder de gammaflits zouden deze zwakke stelsels niet waarneembaar zijn geweest. Door de karakteristieke vingerafdrukken die de verschillende chemische elementen in het licht van de gammaflits achterlieten nauwkeurig te analyseren, waren de astronomen in staat om de samenstelling van het koele gas in deze zeer verre sterrenstelsels vast te stellen.

Naar verwachting zouden sterrenstelsels in het jonge heelal minder zware elementen moeten bevatten dan de huidige sterrenstelsels, zoals ons Melkwegstelsel. Deze elementen worden geproduceerd tijdens het leven en de laatste levensfase van sterren, die al doende het gas in hun sterrenstelsel geleidelijk verrijken [4]. Astronomen gebruiken die chemische verrijking als indicatie voor het ontwikkelingsstadium van een sterrenstelsel. Maar de nieuwe waarnemingen laten zien dat sommige sterrenstelsels minder dan twee miljard jaar na de oerknal al heel rijk waren aan zware elementen – iets wat tot voor kort ondenkbaar leek.

Het ontdekte tweetal sterrenstelsels moet in een ongekend tempo nieuwe sterren produceren om de snelle chemische verrijking van hun koele gas te kunnen verklaren. Gezien hun kleine onderlinge afstand staan de twee stelsels mogelijk op het punt om samen te smelten. De daarbij optredende botsingen tussen gaswolken zouden kunnen verklaren waarom de beide stelsels zoveel sterren produceren. Ook bevestigen de nieuwe resultaten het idee dat er een verband bestaat tussen gammaflitsen en de grootschalige vorming van zware sterren.

De hevige stervorming in sterrenstelsels als deze zou al vroeg in de geschiedenis van het heelal gestopt kunnen zijn. Twaalf miljard jaar later, nu dus, zouden de overblijfselen van deze stelsels grote aantallen stellaire overblijfselen, zoals zwarte gaten en koele dwergsterren, bevatten en mogelijk een moeilijk waarneembare populatie vormen van ‘dode’ sterrenstelsels die nog maar een schim zijn van wat ze vroeger waren. Het opsporen van zulke ‘galactische lijken’ zal niet gemakkelijk zijn.

‘We hebben het geluk gehad dat we GRB 090323 konden waarnemen toen deze nog helder genoeg was om gedetailleerd met de VLT te kunnen waarnemen. Gammaflitsen blijven maar heel kort helder, en het is niet eenvoudig om gegevens van goede kwaliteit te vergaren. We hopen dat we deze beide sterrenstelsels in de toekomst nog eens kunnen waarnemen met veel gevoeligere instrumenten. Het zouden perfecte doelwitten zijn voor de European Extremely Large Telescope,’ besluit Savaglio.

Noten

[1] Gammaflitsen die langer dan twee seconden duren, worden ‘lange flitsen’ genoemd; de overige heten ‘kort’. Lange gammaflitsen, zoals de hier onderzochte, houden verband met supernova-explosies van zware jonge sterren in sterrenstelsels die veel nieuwe sterren produceren. Korte gammaflitsen worden nog niet goed begrepen, maar zijn mogelijk het gevolg van botsingen tussen twee compacte objecten, zoals neutronensterren.

[2] De naam verwijst naar de datum waarop de gammaflits werd ontdekt, in dit geval 23 maart 2009.

[3] De sterrenstelsels werden gezien bij een roodverschuiving van 3,57, wat betekent dat ze worden waargenomen zoals ze 1,8 miljard jaar na de oerknal waren.

[4] De materie die werd geproduceerd bij de oerknal, die zich 13,7 miljard jaar geleden voltrok, bestond vrijwel geheel uit waterstof en helium. Veel zwaardere elementen, zoals zuurstof, stikstof en koolstof, ontstonden pas later bij de kernfusiereacties in het inwendige van sterren en werden bij de dood van deze sterren aan het gas in de sterrenstelsels toegevoegd. Naar verwachting zal het aandeel zware elementen in de meeste sterrenstelsels in de loop van de tijd dus geleidelijk toenemen.

Meer informatie

De onderzoeksresultaten worden gepresenteerd in het artikel ‘Super-solar Metal Abundances in Two Galaxies at z ~ 3.57 revealed by the GRB 090323 Afterglow Spectrum’, dat in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zal verschijnen.

Het onderzoeksteam bestaat uit S. Savaglio (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Duitsland [MPE]), A. Rau (MPE), J. Greiner (MPE), T. Krü̈hler (MPE; Technische Universitä̈t München, Garching, Duitsland [TUM]), S. McBreen (University College Dublin, Ierland; MPE), D.H. Hartmann (Clemson University, Clemson, VS), A.C. Updike (Clemson), R. Filgas (MPE), S. Klose (Thü̈ringer Landessternwarte Tautenburg, Duitsland), P. Afonso (MPE), C. Clemens (MPE), A. Küpcü̈ Yoldas (ESO, Garching, Duitsland), F. Olivares E. (MPE), V. Sudilovsky (MPE; TUM) en G. Szokoly (Eötvö̈s Universiteit, Boedapest, Hongarije).

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 Telescope (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

Sandra Savaglio
Astronomer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 30000 3358
Mobiel: +49 151 5194 4223
E-mail: savaglio@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Mobiel: +49 151 1537 3591
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