ESO’s VISTA-surveytelescoop heeft een horde zware sterrenstelsels opgespoord die al bestonden toen het heelal nog in zijn kinderschoenen stond. Door meer van deze stelsels te ontdekken en onderzoeken, zijn astronomen er achter gekomen wanneer deze monsterstelsels voor het eerst op het toneel verschenen. Door het aantal sterrenstelsels in een stukje hemel te tellen, kunnen astronomen hun theorieën over de vorming en evolutie van sterrenstelsels toetsen.
Maar deze eenvoudige taak wordt moeilijker naarmate astronomen zwakkere stelsels op grotere afstanden van de aarde proberen te tellen. Daarbij komt nog dat de helderste, gemakkelijkst waarneembare stelsels – de zwaarste sterrenstelsels in het heelal – schaarser worden naarmate astronomen dieper het heelal in turen. En de veel talrijkere zwakkere stelsels zijn nóg moeilijker te vinden.
Een team van astronomen, onder leiding van Karina Caputi van het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen, heeft nu een groot aantal sterrenstelsels opgespoord die tot nu toe onopgemerkt waren gebleven. Daarbij is gebruik gemaakt van opnamen uit de UltraVISTA-survey, een van de zes VISTA-projecten waarbij de hemel op nabij-infrarode golflengten wordt verkend. Het resultaat is een ‘volkstelling’ van zwakke sterrenstelsels die bestonden toen het heelal nog maar 0,75 tot 2,1 miljard jaar oud was. In het kader van UltraVISTA is sinds december 2009 een stukje hemel vastgelegd dat bijna vier keer zo groot is als de volle maan. Dit het grootste hemelgebied dat ooit zo ‘diep’ op infraroodgolflengten in beeld is gebracht. Het team heeft deze UltraVISTA-waarnemingen gecombineerd met die van NASA’s Spitzer Space Telescope, die het heelal op nog langere, midden-infrarode golflengten verkent [1].
‘We hebben 574 nieuwe zware sterrenstelsels opgespoord – het grootste aantal van deze verborgen stelsels in het jonge heelal dat ooit is verzameld,’ legt Karina Caputi uit. ‘Het onderzoek ervan stelt ons in staat om de eenvoudige maar belangrijke vraag te beantwoorden wanneer de eerste zware stelsels op het toneel zijn verschenen.’ Door de kosmos op nabij-infrarode golflengten vast te leggen, kregen de astronomen objecten te zien die niet alleen extreem ver weg staan, maar ook verscholen zitten achter stof [2]. Deze objecten zijn gevormd toen het heelal nog heel jong was. Het team heeft ontdekt dat deze stelsels binnen heel korte tijd explosief in aantal zijn toegenomen. Veel van de zware stelsels [3] die we nu om ons heen zien in het nabije heelal zijn slechts drie miljard jaar na de oerknal gevormd.
‘We hebben geen sporen van deze zware stelsels gevonden die verder teruggaan dan ongeveer een miljard jaar jaar na de oerknal. We zijn er dus van overtuigd dat dit het moment moet zijn geweest dat de eerste zware stelsels ontstonden,’ concludeert Henry Joy McCracken, medeauteur van het onderzoeksartikel [4]. Bovendien hebben de astronomen vastgesteld dat zware sterrenstelsels veel talrijker waren dan verondersteld. De tot nu toe verscholen gebleven stelsels vormen de helft van de populatie zware stelsels die bestond toen het heelal 1,1 à 1,5 miljard jaar oud was [5]. Deze nieuwe resultaten zijn overigens in strijd met de huidige modellen van de vorming van sterrenstelsels in het jonge heelal. Volgens deze modellen bestonden er in dat vroege tijdperk nog geen ‘monsterstelsels’.
Daarbij komt nog dat als de zware stelsels in het vroege heelal nog stofrijker zijn dan waar astronomen van uitgaan, zelfs UltraVISTA niet in staat zou zijn om deze te detecteren. Als dit inderdaad het geval is, moet mogelijk de hele bestaande theorie over de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal op de schop. De zoektocht naar deze cruciale stofrijke sterrenstelsels zal worden ondernomen met onder meer de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Als ze gevonden worden, zullen ze later ook worden bekeken met ESO’s 39-meter European Extremely Large Telescope (E-ELT), waarmee enkele van de allereerste sterrenstelsels gedetailleerd waarneembaar zullen zijn.
Noten
[1] ESO’s VISTA-telescoop deed waarnemingen in het nabij-infrarode golflengtegebied van 0,88-2,15 μm, terwijl Spitzer het midden-infrarood van 3,6 tot 4,5 μm bestrijkt.
[2] De uitdijing van de ruimte leidt ertoe dat naarmate een sterrenstelsel verder weg staat, het zich met grotere snelheid van ons lijkt te verwijderen. Hierdoor wordt het licht van deze verre objecten uitgerekt tot langere golflengten, waardoor het naar rodere delen van het spectrum opschuift. Dat betekent dat het licht van deze stelsels in het nabij- en midden-infrarood moet worden waargenomen.
[3] ‘Zwaar’ betekent in deze context: meer dan 50 miljard maal de massa van de zon. De totale massa van alle sterren in de Melkweg is van vergelijkbare orde.
[4] Het team heeft geen zware sterrenstelsels ontdekt voorbij een roodverschuiving van 6, wat overeenkomt met minder dan 0,9 miljard jaar na de oerknal.
[5] Dit komt overeen met roodverschuivingen tussen z=5 and z=4.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Spitzer Bright, UltraVISTA Faint Sources in COSMOS: The Contribution to the Overall Population of Massive Galaxies at z = 3-7’, van K. Caputi et al., dat in de Astrophysical Journal verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit Karina I. Caputi (Kapteyn Instituut, Rijksuniversiteit Groningen), Olivier Ilbert (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Frankrijk), Clotilde Laigle (Institut d’Astrophysique de Paris, Frankrijk), Henry J. McCracken (Institut d’Astrophysique de Paris, Frankrijk), Olivier Le Fèvre (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Frankrijk), Johan Fynbo (Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, Kopenhagen, Denemarken), Bo Milvang-Jensen (Dark Cosmology Centre), Peter Capak (NASA/JPL Spitzer Science Centre, California Institute of Technology, Pasadena, Californië, VS), Mara Salvato (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Duitsland) en Yoshiaki Taniguchi (Research Center for Space and Cosmic Evolution, Universiteit van Ehime, Japan).
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.
