Voor het eerst zijn donkere sterrenstelsels – een vroege, theoretisch voorspelde fase in het ontstaan van sterrenstelsels – waargenomen. Deze objecten zijn in wezen gasrijke sterrenstelsels zonder sterren. Met behulp van ESO’s Very Large Telescope is een internationaal onderzoeksteam erin geslaagd om deze ongrijpbare objecten te detecteren via de gloed die zij vertonen doordat zij door een quasar worden aangelicht. Donkere sterrenstelsels zijn kleine, gasrijke stelsels in het vroege heelal die niet erg bedreven zijn in het produceren van sterren.
Hun bestaan wordt voorspeld door theorieën over de vorming van sterrenstelsels: ze worden beschouwd als de bouwstenen van de huidige, heldere stelsels, die rijk zijn aan sterren. Astronomen denken dat zij deze grote stelsels wellicht van het gas hebben voorzien waarmee zij later hun huidige sterren hebben geproduceerd. Omdat ze weinig of geen sterren bevatten, zenden de donkere stelsels niet veel licht uit. Daardoor zijn ze moeilijk waarneembaar. Al jaren proberen astronomen technieken te ontwikkelen om het bestaan van deze stelsels te bevestigen. De eerste aanwijzingen voor hun bestaan waren kleine absorptiedipjes in de spectra van lichtbronnen op de achtergrond. Bij dit nieuwe onderzoek zijn de donkere stelsels nu voor het eerst rechtstreeks waargenomen. ‘We hebben het probleem van de detectie van donkere stelsels aangepakt door ze met licht te beschijnen,’ aldus Simon Lilly (ETH Zürich, Zwitserland), mede-auteur van het onderzoeksartikel. ‘We hebben gezocht naar de fluorescerende gloed van het gas in donkere stelsels die door het ultraviolette licht van een naburige en zeer heldere quasar worden aangelicht. Het quasarlicht brengt deze stelsels aan het gloeien op een manier die vergelijkbaar is met hoe witte kleding oplicht onder de uv-lampen in een nachtclub.’ (1)
Het onderzoeksteam heeft het grote licht-opvangende oppervlak en de grote gevoeligheid van de Very Large Telescope (VLT) benut om een reeks zeer lang belichte opnamen te maken, om zo de extreem zwakke gloed van de donkere stelsels te detecteren. Met het instrument FORS2 is een hemelgebied rond de heldere quasar (2) HE 0109-3518 in kaart gebracht, om zo het ultraviolette licht op te sporen dat waterstofgas uitzendt als het aan intense straling wordt blootgesteld. Door de uitdijing van het heelal wordt dit licht, tegen de tijd dat het bij de VLT aankomt, waargenomen als een violet schijnsel. (3)
‘Na jaren van pogingen om de fluorescerende emissie van donkere stelsels te detecteren, bewijzen onze resultaten het potentieel van onze methode voor het opsporen en onderzoeken van deze fascinerende en tot nog toe onzichtbare objecten,’ zegt Sebastiano Cantalupo (Universiteit van Californië, Santa Cruz), hoofdauteur van het onderzoek. Het team heeft bijna honderd gasachtige objecten opgespoord die binnen een straal van enkele miljoenen lichtjaren rond de quasar liggen. Na zorgvuldige analyse, gericht op het uitsluiten van objecten waarbij de emissie door stervorming binnen de stelsels zelf wordt veroorzaakt, in plaats van door het licht van de quasar, bleven er uiteindelijk twaalf over. Dat zijn de meest overtuigende identificaties van donkere stelsels in het heelal tot nu toe.
Het is de astronomen ook gelukt om enkele eigenschappen van de donkere stelsels te bepalen. Ze schatten dat de stelsels ongeveer een miljard zonsmassa’s aan gas bevatten, wat typerend is voor lichte, gasrijke sterrenstelsels in het jonge heelal. Ook konden ze schatten dat het stervormingsrendement in de stelsels minstens honderd keer zo laag is als in karakteristieke ster-vormende stelsels in een vergelijkbaar stadium van de kosmische geschiedenis. (4) ‘Onze waarnemingen met de VLT hebben het bewijs opgeleverd voor het bestaan van compacte, op zichzelf staande donkere wolken. Met dit onderzoek hebben we een cruciale stap gezet in het opsporen en onderzoeken van de duistere vroege stadia van het ontstaan van sterrenstelsels, en de manier waarop sterrenstelsels aan hun gas zijn gekomen,’ besluit Cantalupo. De integral field-spectograaf MUSE, die in 2013 bij de VLT in bedrijf wordt genomen, zal een uiterst belangrijk hulpmiddel zijn bij het onderzoek van deze objecten.
Noten
(1) Fluorescentie is de lichtemissie van een stof die door een lichtbron wordt aangelicht. In de meeste gevallen heeft het uitgezonden licht een langere golflengte dan het bronlicht. Zo wordt in een tl-buis voor ons onzichtbaar ultraviolet licht omgezet in zichtbaar licht. Sommige stoffen, zoals gesteenten en mineralen, vertonen van nature fluorescentie, maar deze eigenschap kan ook kunstmatig worden opgewekt. Zo zijn aan wasmiddelen fluorescerende chemicaliën toegevoegd om witte kleding witter-dan-wit te laten lijken.
(2) Quasars zijn extreem heldere, verre sterrenstelsels die hun energie waarschijnlijk ontlenen aan het superzware zwarte gat in hun centrum. Hun grote helderheid maakt hen tot krachtige lichtbakens die objecten in hun omgeving kunnen doen oplichten. Op die manier is onderzoek mogelijk van het tijdperk waarin uit oergas de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden.
(3) Deze emissie van waterstof staat bekend als Lyman-alfa-straling, en ontstaat als elektronen in waterstofatomen van het op een na laagste naar het laagste energieniveau terugvallen. Het is een soort ultraviolet licht. Doordat het heelal uitdijt, wordt de golflengte van het licht dat objecten uitzenden uitgerekt terwijl het zich door de ruimte voortplant. Hoe groter de afstand die het licht moet afleggen, des te groter is de uitrekking. Omdat rood de langste golflengte is die wij kunnen zien, is dit proces letterlijk een golflengteverschuiving naar de rode kant van het spectrum – vandaar de naam ‘roodverschuiving’. De quasar HE 0109-3518 vertoont een roodverschuiving van z = 2,4, en het ultraviolette licht van de donkere stelsels is verschoven naar het zichtbare spectrum. Om de ‘roodverschoven’ fluorescerende emissie te kunnen detecteren, werd een speciaal filter ontwikkeld, dat alleen licht met een golflengte van ongeveer 414,5 nm doorlaat – Lyman-alfa-straling met een roodverschuiving van z = 2,4. Dat komt overeen met een violette tint.
(4) Het stervormingsrendement is gelijk aan de totale massa van nieuw gevormde sterren gedeeld door de massa van de beschikbare hoeveelheid gas. De astronomen hebben vastgesteld dat de donkere stelsels er meer dan 100 miljard jaar over zouden doen om hun gas in sterren om te zetten. Dit resultaat is in overeenstemming met recente theoretische onderzoeken, die erop wijzen dat gasrijke, massa-arme halo’s op grote roodverschuiving door hun lage metaalgehalte een zeer laag stervormingsrendement hebben.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4’ van Cantalupo et al., dat in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zal verschijnen. Het onderzoeksteam bestaat uit Sebastiano Cantalupo (Universiteit van Californië, Santa Cruz, VS), Simon J. Lilly (ETH Zürich, Zwitserland) en Martin G. Haehnelt (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge, VK). Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). 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 Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
