Waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) laten zien dat de hevigste geboortegolven van sterren in het heelal veel eerder plaatsvonden dan tot nu toe werd gedacht. De resultaten verschijnen in een reeks artikelen die op 14 maart 2013 in het tijdschrift Nature en de Astrophysical Journal verschijnen.
Het onderzoek is het meest recente voorbeeld van de ontdekkingen die de nieuwe internationale ALMA-sterrenwacht voortbrengt. Vandaag vindt de openingsplechtigheid van ALMA plaats. Vermoed wordt dat de hevigste stellaire geboortegolven vroeg in de geschiedenis van het heelal hebben plaatsgevonden in zware, heldere sterrenstelsels. Deze zogeheten starburst-stelsels zetten enorme hoeveelheden kosmisch gas en stof om in nieuwe sterren, in een tempo dat honderden keren sneller is dan in statige spiraalstelsels zoals onze Melkweg. Door diep de ruimte in te kijken, naar sterrenstelsels die zo ver weg zijn dat hun licht er vele miljarden jaren over heeft gedaan om ons te bereiken, kunnen astronomen deze drukke periode in de jeugd van het heelal waarnemen.
‘Hoe verder het stelsel weg staat, des te verder kijken we terug in de tijd. Dus door hun afstanden te meten, kunnen we een tijdlijn reconstrueren van het tempo waarin het heelal op verschillende momenten in zijn 13,7 miljard jaar oude geschiedenis nieuwe sterren heeft geproduceerd,’ zegt Joaquin Vieira (California Institute of Technology, VS), die het onderzoeksteam leidde en hoofdauteur is van het artikel in het tijdschrift Nature.
Het internationale team van onderzoekers ontdekte deze verre, intrigerende starburst-stelsels voor het eerst met de 10-meter South Pole Telescope (SPT) van de Amerikaanse National Science Foundation, en zoomde er met ALMA verder op in om de stellaire babyboom in het jonge heelal te verkennen. Tot hun verrassing bleken veel van deze verre, stofrijke stelsels nog verder weg te staan dan gedacht. Dat betekent dat de daarin optredende stellaire geboortegolven gemiddeld 12 miljard jaar geleden plaatsvonden, op een moment dat het heelal nog geen twee miljard jaar oud was. Dat is een miljard jaar eerder dan aanvankelijk werd ingeschat.
Twee van deze stelsels zijn de verste in hun soort die ooit zijn waargenomen – zo ver dat hun licht aan zijn reis begon toen het heelal maar één miljard jaar oud was. Bovendien zijn in één van deze record-verre stelsels watermoleculen gedetecteerd. Nooit eerder werd kosmisch water op zo’n grote afstand waargenomen.
Het onderzoeksteam benutte de ongekende gevoeligheid van ALMA om licht van 26 van deze stelsels op golflengten rond drie millimeter waar te nemen. Licht op bepaalde specifieke golflengten kan zijn uitgezonden door gasmoleculen in deze stelsels, en wordt tijdens de miljarden jaren dat het naar ons onderweg is uitgerekt door de uitdijing van het heelal. Door deze uitgerekte golflengten te meten, kunnen astronomen berekenen hoe lang de reis van het licht heeft geduurd, en elk stelsel op het juiste moment in de kosmische geschiedenis plaatsen.
‘Dankzij ALMA’s gevoeligheid en brede golflengtebereik duren onze metingen maar een paar minuten per sterrenstelsel – ongeveer honderd keer korter dan voorheen,’ zegt Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Duitsland), die de leiding had over de afstandsmetingen van de stelsels. ‘Voorheen zou zo’n meting een hele onderneming zijn geweest, waarbij gegevens van optische telescopen en radiotelescopen met elkaar werden gecombineerd.’
In de meeste gevallen konden de afstanden uitsluitend op basis van ALMA-waarnemingen worden bepaald, maar in enkele gevallen combineerde het team de ALMA-gegevens met metingen van andere telescopen, waaronder het Atacama Pathfinder Experiment (APEX) en ESO’s Very Large Telescope [1].
Bij de metingen konden de astronomen slechts beschikken over zestien van de in totaal 66 grote schotelantennes van ALMA, omdat de sterrenwacht op de afgelegen, 5000 meter hoge Chajnantor-hoogvlakte op dat moment nog in aanbouw was. Eenmaal compleet zal ALMA nog gevoeliger zijn en nog zwakkere stelsels kunnen detecteren. Nu hebben de astronomen zich beperkt tot de helderdere exemplaren. Daarbij stak Moeder Natuur de helpende hand uit via het zogeheten gravitatielenseffect – een verschijnsel, voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarbij het licht van een ver sterrenstelsel wordt vervormd door de zwaartekrachtsinvloed van een nabijer voorgrondstelsel. Hierdoor fungeert het voorgrondstelsel als een natuurlijke lens die bronnen op de achtergrond helderder doet lijken.
Om erachter te komen in welke mate de beelden van de achtergrondstelsels door dit gravitatielenseffect zijn versterkt, heeft het team scherpere opnamen ervan gemaakt door meer ALMA-waarnemingen op golflengten rond 0,9 millimeter te gebruiken.
‘Deze prachtige ALMA-opnamen laten zien hoe de achtergrondstelsels zijn vervormd tot meervoudige lichtboogjes rond de voorgrondstelsels: zogeheten Einsteinringen,’ zegt Yashar Hezaveh (McGill University, Montreal, Canada), die leiding gaf aan het gravitatielensonderzoek. ‘We gebruiken de kolossale hoeveelheden donkere materie rond sterrenstelsels ergens halverwege het heelal als kosmische telescopen om nog verder weg staande sterrenstelsels groter en helderder te doen lijken.’ Uit een analyse van de vervorming blijkt dat sommige van de verre starburst-stelsels zo helder zijn als 40 biljoen (40 miljoen miljoen) zonnen, en dat het gravitatielenseffect dat licht met maximaal een factor 22 heeft versterkt.
‘Tot nu toe waren op deze submillimetergolflengten slechts een paar gravitatielens-versterkte stelsels bekend, maar nu hebben SPT en ALMA er tientallen opgespoord,’ zegt teamlid Carlos De Breuck (ESO). ‘Dit soort wetenschap werd voorheen vooral op zichtbare golflengten gedaan met de Hubble-ruimtetelescoop, maar onze resultaten laten zien dat ALMA een zeer sterke nieuwe speler op dit terrein is.’
‘Dit is er een prachtig voorbeeld van hoe samenwerkende astronomen van over de hele wereld met behulp van een ultramoderne waarneemfaciliteit tot een geweldige ontdekking kunnen komen,’ zegt teamlid Daniel Marrone (University of Arizona, VS). ‘Dit is nog maar het begin voor ALMA en voor het onderzoek van deze starburst-stelsels. Onze volgende stap is om deze objecten in meer detail te bestuderen en precies uit te zoeken hoe en waarom ze in zo’n verbazingwekkend hoog tempo sterren produceren.’
Noten
[1] De aanvullende waarnemingen werden gedaan met APEX, de VLT, de Australia Telescope Compact Array (ATCA) en de Submillimeter Array (SMA).
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek staan beschreven in het artikel ‘Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing’, van J. Vieira et al., in het tijdschrift Nature. De wijze waarop de afstanden van de sterrenstelsels zijn gemeten, staat beschreven in het artikel ‘ALMA redshifts of millimeter-selected galaxies from the SPT survey: The redshift distribution of dusty star-forming galaxies’, van A. Weiss et al., in de Astrophysical Journal. Het onderzoek van het gravitatielenseffect staat beschreven in het artikel ‘ALMA observations of strongly lensed dusty star-forming galaxies’, van Y. Hezaveh et al., ook in de Astrophysical Journal.
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). 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 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 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 uitsluitend 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. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
