Persbericht

ALMA voor het eerst getuige van de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal

22 juli 2015

Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) zijn de verste wolken van sterren-vormend gas gedetecteerd die ooit in normale sterrenstelsels in het vroege heelal zijn aangetroffen. Dankzij de nieuwe waarnemingen beginnen astronomen te zien hoe de eerste sterrenstelsels zijn gegroeid en hoe ze tijdens het reïonisatietijdperk de kosmische mist hebben opgeruimd. Het is voor het eerst dat dergelijke stelsels als meer te zien zijn dan vage vlekjes.

Toen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal de eerste sterrenstelsels begonnen te ontstaan, was het heelal gevuld met een mist van waterstofgas. Maar toen steeds meer heldere bronnen – zowel sterren als quasars die door enorme zwarte gaten werden aangedreven – begonnen te stralen, loste deze mist op en werd het heelal doorzichtig voor ultraviolet licht [1]. Astronomen noemen dit het reïonisatietijdperk, maar over de eerste sterrenstelsels is verder weinig bekend. Tot nu toe waren ze alleen te zien als heel vage vlekjes. Nieuwe waarnemingen met ALMA beginnen daar verandering in te brengen.

Een team van astronomen, onder leiding van Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory en Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, VK), heeft ALMA gericht op sterrenstelsels waarvan bekend was dat we ze zien zoals ze ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal waren [2]. De astronomen zochten niet naar het licht van sterren, maar naar de zwakke gloed van geïoniseerde koolstof [3] die afkomstig is van de gaswolken waaruit de sterren ontstonden. Op die manier wilden ze onderzoeken hoe jonge generaties van sterren van invloed waren op de samenklonteringen van koude materie die zich tot deze eerste sterrenstelsels samenvoegden.

De astronomen zochten ook niet naar de extreem heldere, zeldzame objecten – zoals quasars en sterrenstelsels met zeer hevige stervorming – die tot nu toe in het verre heelal waren waargenomen. In plaats daarvan concentreerden zij zich op (veel minder spectaculaire) normale sterrenstelsels die het heelal hebben gereïoniseerd en vervolgens zijn veranderd in het leeuwendeel van de sterrenstelsels die we nu om ons heen zien. Van een van de stelsels – die de aanduiding BDF3299 heeft gekregen – heeft ALMA een zwak, maar duidelijk signaal van de gloeiende koolstof kunnen registeren. Die gloed kwam echter niet uit het centrum van het sterrenstelsel, maar van vlak daarnaast.

Mede-auteur Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië) benadrukt het belang van de nieuwe resultaten: ‘Dit is de verste detectie ooit van dit soort emissie van een ‘normaal’ sterrenstelsel dat minder dan een miljard jaar na de oerknal wordt gezien. Het geeft ons de mogelijkheid om de vorming van de eerste sterrenstelsels gade te slaan. Voor het eerst zien we vroege sterrenstelsels niet slechts als kleine vlekjes, maar als objecten met een interne structuur!’

De astronomen denken dat de excentrische locatie van de gloed ontstaat doordat de gaswolken in het centrum het slachtoffer zijn geworden van de pas gevormde sterren in hun omgeving – zowel van hun intense straling als van de gevolgen van supernova-explosies – terwijl de koolstofgloed zijn oorsprong vindt in vers koud gas dat vanuit het intergalactische medium is toegestroomd.

Door de nieuwe ALMA-waarnemingen te combineren met computersimulaties is het gelukt om inzicht te krijgen in de verschillende processen die zich binnen de eerste sterrenstelsels afspelen. De gevolgen van de straling van sterren, de overlevingskansen van moleculaire wolken, het vrijkomen van ioniserende straling en de complexe structuur van het interstellaire medium kunnen nu worden berekend en met waarnemingen worden vergeleken. BDF3299 is waarschijnlijk een typisch voorbeeld van de sterrenstelsels die de reïonisatie hebben veroorzaakt.

‘We doen al vele jaren pogingen om het interstellaire medium en de vorming van de reïonisatiebronnen te begrijpen. Dat we eindelijk in staat zijn om voorspellingen en hypothesen aan echte gegevens van ALMA te toetsen is een spannend moment, en roept allerlei nieuwe vragen op. Dit soort waarnemingen zal vele netelige kwesties rondom de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels in het heelal kunnen ophelderen,’ concludeert Ferrara.

Maiolino voegt daaraan toe: ‘Dit onderzoek zou simpelweg onmogelijk zijn geweest zonder ALMA, omdat geen enkel ander instrument de noodzakelijke gevoeligheid en resolutie heeft. Hoewel dit een van de ‘diepste’ ALMA-waarnemingen tot nu toe is, zijn de grenzen van de mogelijkheden nog lang niet bereikt. In de toekomst zal ALMA de structuur van oerstelsels gedetailleerd in beeld brengen en inzicht geven in de vorming van de allereerste sterrenstelsels.’

Noten

[1] Neutraal waterstofgas is heel effectief in het absorberen van de energierijke ultraviolette straling van jonge hete sterren. Bijgevolg zijn deze sterren bijna niet waarneembaar in het vroege heelal. Tegelijkertijd is de geabsorbeerde ultraviolette straling in staat om de waterstof te ioniseren, waardoor deze volledig doorzichtig wordt. Hierdoor ontstaan transparente bellen in het gas rond de  hete sterren. Zodra al deze bellen zich samenvoegen en de gehele ruimte vullen, is de reïonisatie voltooid en wordt het heelal doorzichtig.

[2] Ze hadden roodverschuivingen van 6,8 tot 7,1.

[3] Astronomen zijn vooral geïnteresseerd in geïoniseerde koolstof, omdat deze specifieke spectraallijn de meeste energie afvoert die door sterren wordt ingebracht en astronomen in staat stelt om de verdeling van het koude gas in kaart te brengen waaruit sterren ontstaan. Het team zocht specifiek naar de emissie van eenmaal geïoniseerde koolstof [bekend als C II]. Deze straling wordt uitgezonden op een golflengte van 158 micrometer, maar is tegen de tijd dat zij aankomt bij ALMA zodanig uitgerekt door de uitdijing van het heelal, dat haar golflengte is toegenomen tot ongeveer 1,3 millimeter.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA’, van R. Maiolino et al., dat op 22 juli 2015 verschijnt in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Het onderzoeksteam bestaat uit R. Maiolino (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, VK; Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, VK) S. Carniani (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology; Universitá di Firenze, Florence, Italië), A. Fontana (INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië; Universitá di Bologna, Bologna, Italië), L. Pentericci (INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië), E. Vanzella (INAF-Bologna Astronomical Observatory, Bologna, Italië), A. Grazian (INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië), M. Castellano (INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), S. Cristiani (INAF-Trieste Astronomical Observatory, Triëst, Italië), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, VS), P. Santini (INAF-Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Jodrell Bank Observatory, VK) en R. Williams (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology).

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de National Science Foundation (NSF) van de VS, de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, met steun van de republiek Chili.  ALMA wordt gefinanceerd door ESO, namens haar lidstaten, door NSF, in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van 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, namen haar lidstaten; door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), namens Noord-Amerika, en door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), namens Oost-Azië. De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch 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 specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

•  Onderzoeksartikel

•  Foto’s van ALMA

Contact

Roberto Maiolino
Cavendish Laboratory & Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge
Cambridge, United Kingdom
Tel: +44 1223 761661
Mobiel: +44 7557 774718
E-mail: r.maiolino@mrao.cam.ac.uk

Andrea Ferrara
Scuola Normale Superiore
Pisa, Italy
Mobiel: +39 329 0715067
E-mail: andrea.ferrara@sns.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
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