Astronomen hebben met behulp van ALMA en de VLT ontdekt dat zowel starburststelsels in het vroege heelal als een stervormingsgebied in een nabij sterrenstelsel naar verhouding veel meer zware sterren bevatten dan kalmere sterrenstelsels. Deze ontdekkingen trekken de bestaande ideeën over hoe sterrenstelsels zijn geëvolueerd in twijfel en veranderen ons begrip van de stervormingsgeschiedenis van het heelal en de vorming van chemische elementen.
Een team van wetenschappers, onder leiding van astronoom Zhi-Yu Zhang van de Universiteit van Edinburgh (VK), heeft de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om vier verre, stofrijke starburststelsels [1] te onderzoeken op de aantallen zware sterren die zij bevatten. Deze sterrenstelsels worden gezien op een moment dat het heelal veel jonger was dan nu. Het is dus onwaarschijnlijk dat ze al talrijke episoden van stervorming hebben meegemaakt, wat de interpretatie van de resultaten zou hinderen. Zhang en zijn team hebben een nieuwe techniek ontwikkeld – vergelijkbaar met koolstofdatering (ook wel C14-datering genoemd) – om de relatieve hoeveelheden van verschillende soorten koolstofmonoxide in vier zeer verre, in stof gehulde starburststelsels [2] te meten. Daarbij hebben ze de onderlinge verhouding bepaald van twee soorten koolstofmonoxide die verschillende isotopen bevatten [3].
‘Koolstof- en zuurstofisotopen hebben niet dezelfde oorsprong,’ legt Zhang uit. ‘18O wordt meer in zware sterren geproduceerd en 13C meer in lichte en middelzware sterren.’ Dankzij de nieuwe techniek was het team in staat om door het stof in deze stelsels heen te kijken en voor het eerst de massa’s van hun sterren te schatten. De massa is de belangrijkste factor die bepaalt hoe een ster zal evolueren. Zware sterren stralen fel en hebben een korte levensduur. Minder zware sterren, zoals onze zon, doen het wat rustiger aan en kunnen miljarden jaren blijven stralen. Door vast te stellen hoeveel sterren van verschillende massa’s er in sterrenstelsels worden gevormd, krijgen astronomen dus meer inzicht in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. En daaruit kan dan weer worden afgeleid welke chemische elementen er beschikbaar zijn voor de vorming van nieuwe sterren en planeten. Uiteindelijk levert dat weer kennis op over het aantal stellaire zwarte gaten dat kan samenklonteren tot de superzware zwarte gaten die we in de kernen van veel sterrenstelsels waarnemen.
Medeauteur Donatella Romano van het INAF-Astrophysics and Space Science Observatory in Bologna legt uit wat het team heeft ontdekt: ‘De verhouding tussen 18O en 13C was in deze starburststelsels in het vroege heelal ongeveer tien keer zo hoog als in sterrenstelsels zoals de Melkweg. Dat betekent dat deze starburststelsels naar verhouding veel meer zware sterren bevatten.’ Dit ALMA-resultaat wordt gesteund door een ontdekking in het nabije heelal. Een team onder leiding van Fabian Schneider van de Universiteit van Oxford (VK) heeft met ESO’s Very Large Telescope 800 sterren in het reusachtige stervormingsgebied 30 Doradus in de Grote Magelhaense Wolk spectroscopisch onderzocht, om de globale verdeling van de leeftijden en de beginmassa’s van deze sterren te onderzoeken [4].
Schneider legt uit wat dit heeft opgeleverd: ‘We hebben ongeveer 30 procent meer sterren met massa’s van meer dan 30 zonsmassa’s ontdekt dan verwacht, en ongeveer 70 procent meer sterren van meer dan 60 zonsmassa’s. Onze resultaten roepen twijfel op over de eerdere voorspelling dat sterren bij hun geboorte niet zwaarder kunnen zijn dan 150 zonsmassa’s. Ze suggereren zelfs dat sterren geboortemassa’s tot wel 300 zonsmassa’s kunnen hebben!’ Rob Ivison, medeauteur van het nieuwe ALMA-artikel concludeert: ‘Onze bevindingen roepen vragen op over ons begrip van de kosmische geschiedenis. Astronomen die modellen maken van het heelal moeten nu terug naar de tekentafel: er is meer verfijning nodig.’
Noten
[1] Starburststelsels zijn sterrenstelsels die een episode van zeer intense stervorming ondergaan. Het tempo waarin ze nieuwe sterren vormen, kan meer dan honderd keer zo groot zijn als in onze eigen sterrenstelsel, de Melkweg. De zware sterren in deze sterrenstelsels produceren ioniserende straling, stellaire uitstromingen en supernova-explosies, die de dynamische en chemische evolutie van het hen omringende medium sterk beïnvloeden. Het onderzoek van de massadistributie van sterren in deze sterrenstelsels kan ons niet alleen meer vertellen over hun eigen evolutie, maar ook over die van het heelal als geheel.
[2] De koolstofdateringsmethode wordt gebruikt voor het bepalen van de ouderdom van voorwerpen die organisch materiaal bevatten. Door de hoeveelheid 14C te meten – een radioactieve isotoop waarvan de hoeveelheid continu afneemt – kan men berekenen wanneer een dier of een plant is gestorven. De isotopen die bij het ALMA-onderzoek zijn gebruikt, 13C en 18O, ontstaan door kernfusiereacties in het inwendige van sterren en zijn stabiel. Hierdoor nemen hun hoeveelheden in de loop van het bestaan van een sterrenstelsel voortdurend toe.
[3] Deze verschillende vormen van het molecuul, zogeheten isotopologen, verschillen in het aantal neutronen dat ze kunnen bevatten. De koolstofmonoxidemoleculen die in dit onderzoek worden gebruikt zijn daar voorbeelden van, omdat een stabiele koolstofisotoop zowel twaalf als dertien kerndeeltjes in zijn kern kan hebben en een stabiele zuurstofisotoop zestien, zeventien of achttien.
[4] Schneider et al. deden hun spectroscopische waarnemingen van afzonderlijke sterren in 30 Doradus, een stervormingsgebied in de nabijgelegen Grote Magelhaense Wolk, met de Fiber Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) van de Very Large Telescope (VLT). Dit onderzoek was een van de eerste in zijn soort dat gedetailleerd genoeg was om te laten zien dat het heelal stervormingsregio’s kan produceren met massaspreidingen die afwijken van die in de Melkweg.
