Afbeelding tegoed: PPARC
Tot nu toe hebben astronomen niet veel gegevens kunnen vinden over wat er in een vroege fase van de evolutie van het heelal is gebeurd, toen ze dachten dat de sterren waren gevormd. Maar nieuw onderzoek, uitgevoerd door astronomen die het Gemini-observatorium in Chili gebruiken, heeft 8 tot 11 miljard jaar geleden verschillende sterrenstelsels onthuld die vollediger zijn gevormd dan verwacht. Ze dachten dat ze protogalaxieën tegen elkaar zouden zien botsen, maar in plaats daarvan vonden ze zeer volwassen sterrenstelsels. Het is mogelijk dat zwarte gaten in het vroege heelal veel vaker voorkwamen en als ankers dienden om snel sterrenstelsels te vormen.
Tot nu toe waren astronomen bijna blind toen ze terugkeken in de tijd om een tijdperk te onderzoeken waarin de meeste sterren in het heelal naar verwachting zouden zijn gevormd. Deze kritische kosmologische blinde vlek is verwijderd door een team, waaronder een Britse wetenschapper, die de Frederick C. Gillett Gemini North Telescope heeft gebruikt, wat aantoont dat veel sterrenstelsels in het jonge universum zich zo'n 8-11 miljard jaar geleden niet gedragen zoals verwacht.
De verrassing: deze sterrenstelsels lijken vollediger gevormd en volwassener dan verwacht in dit vroege stadium van de evolutie van het heelal. Deze bevinding is vergelijkbaar met een leraar die een klaslokaal binnenloopt en verwacht een kamer vol weerbarstige tieners te begroeten en goed verzorgde jonge volwassenen te vinden.
"Theorie vertelt ons dat dit tijdperk gedomineerd moet worden door kleine sterrenstelsels die samen crashen", zegt Dr. Roberto Abraham (Universiteit van Toronto), een co-hoofdonderzoeker van het team dat de waarnemingen bij Gemini uitvoert. “We zien dat een groot deel van de sterren in het heelal al op zijn plaats was toen het heelal nog heel jong was, wat niet het geval zou moeten zijn. Deze terugblik in de tijd laat vrij duidelijk zien dat we opnieuw moeten nadenken over wat er gebeurde tijdens dit vroege tijdperk in de galactische evolutie. De theoretici zullen zeker iets hebben om aan te knagen! '
De resultaten zijn vandaag bekendgemaakt tijdens de 203e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Atlanta, Georgia. De gegevens zullen binnenkort worden vrijgegeven aan de hele astronomische gemeenschap voor verdere analyse, en vier artikelen zijn bijna klaar voor publicatie in The Astrophysical Journal en The Astronomical Journal.
Dr. Isobel Hook, leider van de UK Gemini Support Group, gevestigd aan de Universiteit van Oxford, is lid van het multinationale Gemini Deep Deep Survey (GDDS) -team dat het onderzoek heeft uitgevoerd. Ze legt uit hoe de techniek werkt. Het team gebruikte een speciale techniek om het zwakste galactische licht ooit vast te leggen in de regenboog van kleuren, een spectrum genaamd. In totaal werden spectra van meer dan 300 sterrenstelsels verzameld, waarvan de meeste zich in de zogenaamde "Roodverschuivingswoestijn" bevinden, een relatief onontgonnen periode van het heelal, gezien door telescopen die terugkijken naar een tijdperk waarin het heelal slechts 3-6 miljard jaar oud was oud.
Ze voegt eraan toe: deze spectra vertegenwoordigen het meest complete monster dat ooit is verkregen van sterrenstelsels in de roodverschuivingswoestijn. Door grote hoeveelheden gegevens te verzamelen uit vier ver uit elkaar liggende velden, biedt deze enquête de statistische basis voor het trekken van conclusies die zijn vermoed door eerdere waarnemingen van de Hubble-ruimtetelescoop, de Keck-sterrenwacht, de Subaru-telescoop en de zeer grote telescoop in het afgelopen decennium.
Het bestuderen van de zwakke sterrenstelsels in dit tijdperk, toen het heelal nog maar 20-40% van zijn huidige leeftijd was, vormt een enorme uitdaging voor astronomen, zelfs als ze de lichtopvangende capaciteit van een zeer grote telescoop zoals Gemini North met zijn 8 meter lange spiegel gebruiken. Alle eerdere onderzoeken van sterrenstelsels in dit rijk waren gericht op sterrenstelsels waar intense stervorming plaatsvindt, wat het gemakkelijker maakt spectra te verkrijgen, maar een vooringenomen monster oplevert. De GDDS was in staat om een meer representatief monster te selecteren, inclusief die sterrenstelsels die de meest normale, donkere en massieve sterrenstelsels bevatten die speciale technieken vereisen om een spectrum uit hun zwakke licht te halen.
“De Gemini-gegevens zijn de meest uitgebreide enquête die ooit is uitgevoerd over het grootste deel van de sterrenstelsels die de omstandigheden in het vroege heelal vertegenwoordigen. Dit zijn de enorme sterrenstelsels die eigenlijk moeilijker te bestuderen zijn vanwege hun gebrek aan energetisch licht van stervorming. Deze hoogontwikkelde sterrenstelsels, waarvan de stervormende jeugd in feite al lang voorbij is, zouden er gewoon niet moeten zijn, maar zijn er wel '', zegt co-hoofdonderzoeker Dr. Karl Glazebrook (Johns Hopkins University).
Astronomen die dit probleem proberen te begrijpen, moeten mogelijk alles op tafel leggen. "Het is onduidelijk of we de bestaande modellen moeten aanpassen of een nieuwe moeten ontwikkelen om deze bevinding te begrijpen", zei de derde co-hoofdonderzoeker van het onderzoek, Dr. Patrick McCarthy (Observatoria van de Carnegie-instelling). 'Uit de Gemini-spectra blijkt duidelijk dat dit inderdaad zeer volwassen sterrenstelsels zijn, en we zien de effecten van verduisterend stof niet. Er zijn duidelijk enkele belangrijke aspecten van de vroege levens van sterrenstelsels die we gewoon niet begrijpen. Het is zelfs mogelijk dat zwarte gaten veel alomtegenwoordiger waren dan we in het vroege heelal dachten en een grotere rol speelden bij het zaaien van vroege melkwegvorming. ”
Wat misschien wel de dominante theorie van de galactische evolutie is, stelt dat de populatie van sterrenstelsels in dit vroege stadium gedomineerd zou moeten zijn door evolutionaire bouwstenen. Het wordt toepasselijk het hiërarchische model genoemd en voorspelt dat normale tot grote sterrenstelsels, zoals die in dit werk zijn bestudeerd, nog niet zouden bestaan en in plaats daarvan zouden ontstaan uit lokale bijenkorven van activiteit waar grote sterrenstelsels groeiden. Uit de GDDS blijkt dat dit misschien niet het geval is.
De spectra van dit onderzoek werden ook gebruikt om de vervuiling van het interstellaire gas te bepalen door zware elementen ("metalen" genoemd) die door sterren worden geproduceerd. Dit is een belangrijke indicator van de geschiedenis van de evolutie van sterren in sterrenstelsels. Sandra Savaglio (Johns Hopkins University), die dit aspect van het onderzoek bestudeerde, zei: 'Onze interpretatie van het heelal wordt sterk beïnvloed door de manier waarop we het waarnemen. Omdat de GDDS zeer zwakke sterrenstelsels waarnam, konden we het interstellaire gas detecteren, zelfs als het gedeeltelijk werd verduisterd door de aanwezigheid van stof. Toen we de chemische samenstelling van het interstellaire gas bestudeerden, ontdekten we dat de sterrenstelsels in ons onderzoek meer metaalrijk zijn dan verwacht. ”
Astronoom van Caltech, Dr. Richard Ellis, merkte op: “De Gemini Deep Deep Survey vertegenwoordigt een zeer belangrijke prestatie, zowel technisch als wetenschappelijk. Het onderzoek heeft een nieuwe en waardevolle telling van sterrenstelsels opgeleverd tijdens een sleutelperiode in de kosmische geschiedenis, een periode die tot nu toe moeilijk te bestuderen was, vooral voor de rustige component van de melkwegbevolking. ”
Waarnemingen doen in de Roodverschuivingswoestijn heeft de afgelopen tien jaar moderne astronomen gefrustreerd. Hoewel astronomen hebben geweten dat er in de Roodverschuivingswoestijn veel sterrenstelsels moeten bestaan, is het slechts een "woestijn" omdat we van veel van hen geen goede spectra konden krijgen. Het probleem ligt in het feit dat de belangrijkste spectroscopische kenmerken die zijn gebruikt om deze sterrenstelsels te bestuderen, door de uitdijing van het heelal zijn verschoven naar een deel van het optische spectrum dat overeenkomt met een zwakke, natuurlijke, verduisterende gloed in de nachtelijke atmosfeer van de aarde.
Om dit probleem op te lossen, werd een geavanceerde techniek genaamd "Nod and Shuffle" gebruikt op de Gemini-telescoop. “De Nod and Shuffle-techniek stelt ons in staat om de zwakke natuurlijke gloed van de nachtelijke hemel af te scheren om de ijle spectra van sterrenstelsels eronder te onthullen. Deze sterrenstelsels zijn meer dan 300 keer zwakker dan deze luchtgloed ”, legt Dr. Kathy Roth uit, een astronoom bij Gemini die ook deel uitmaakte van het team en veel van de gegevens heeft verkregen. "Het is een uiterst effectieve manier gebleken om de" ruis "of vervuilingsniveaus die worden aangetroffen in het signaal van een elektronische lichtdetector radicaal te verminderen."
Elke waarneming duurde het equivalent van ongeveer 30 uur en produceerde tegelijkertijd bijna 100 spectra. Het hele project vergde in totaal meer dan 120 uur telescooptijd. "Dit is veel kostbare tijd in de lucht, maar als je bedenkt dat het ons in staat heeft gesteld om een cruciale kloof van 20% in ons begrip van het heelal op te vullen, was het een goed bestede tijd", voegt Dr. Glazebrook, die zich heeft ontwikkeld het gebruik van Nod and Shuffle met Joss Hawthorn voor zwakke waarnemingen van sterrenstelsels tijdens het Anglo-Australian Observatory een paar jaar geleden.
Eerdere studies in de Roodverschuivingswoestijn waren gericht op sterrenstelsels die niet noodzakelijk representatief waren voor reguliere systemen. Voor deze studie werden sterrenstelsels zorgvuldig geselecteerd op basis van gegevens van de Las Campanas Infrared Survey om te verzekeren dat sterke ultraviolette emitterende starburst-sterrenstelsels niet overbemonsterd werden. 'Deze studie is uniek omdat we het rode uiteinde van het spectrum hebben kunnen bestuderen, en dit vertelt ons over de tijdperken van oude sterren', zegt dr. Abraham. “We hebben ongelooflijk lange belichtingen gemaakt met Gemini ongeveer tien keer zo lang als gewone belichtingen. Dit laat ons kijken naar veel zwakkere sterrenstelsels dan gewoonlijk het geval is, en laten we ons concentreren op het grootste deel van de sterren, in plaats van alleen op de flitsende jonge sterren. Dit maakt het voor ons een stuk gemakkelijker om uit te zoeken hoe de sterrenstelsels evolueren. We gissen er niet langer naar door jonge objecten te bestuderen en aan te nemen dat de oude objecten niet veel bijdroegen aan het verhaal van de evolutie van sterrenstelsels. Het blijkt dat er veel oude sterrenstelsels zijn, maar die zijn moeilijk te vinden. "
Oorspronkelijke bron: PPARC-persbericht
