Huidige theorieën over de vorming van sterrenstelsels zijn gebaseerd op de hiërarchische samenvoeging van kleinere entiteiten tot grotere en grotere structuren, beginnend vanaf ongeveer de grootte van een stellaire bolhoop en eindigend met clusters van sterrenstelsels. Volgens dit scenario wordt aangenomen dat er in het jonge universum geen enorme sterrenstelsels waren.
Mogelijk moet deze visie nu echter worden herzien. Met behulp van het multi-mode FORS2-instrument op de Very Large Telescope in Paranal, heeft een team van Italiaanse astronomen vier afgelegen sterrenstelsels geïdentificeerd, meerdere malen zwaarder dan het Melkwegstelsel, of zo massief als de zwaarste sterrenstelsels in het huidige universum. Die sterrenstelsels moeten gevormd zijn toen het heelal nog maar ongeveer 2.000 miljoen jaar oud was, dat is ongeveer 12.000 miljoen jaar geleden.
De nieuw ontdekte objecten kunnen tot nu toe lid zijn van een populatie van oude massieve sterrenstelsels.
Het bestaan van dergelijke systemen toont aan dat de opbouw van enorme elliptische sterrenstelsels in het vroege heelal veel sneller was dan verwacht uit de huidige theorie.
Hiërarchisch samenvoegen
Sterrenstelsels zijn als eilanden in het heelal, gemaakt van sterren en stof- en gaswolken. Ze zijn er in verschillende maten en vormen. Astronomen maken over het algemeen onderscheid tussen spiraalstelsels - zoals onze eigen Melkweg, NGC 1232 of het beroemde Andromedastelsel - en elliptische sterrenstelsels, waarbij de laatste meestal oude sterren bevatten en heel weinig stof of gas bevatten. Sommige sterrenstelsels bevinden zich tussen spiralen en elliptische stelsels en worden lenticulaire of bolvormige sterrenstelsels genoemd.
Melkwegstelsels zijn niet alleen verschillend van vorm, ze variëren ook in grootte: sommige kunnen zo "licht" zijn als een stellaire bolhoop in onze Melkweg (dwz ze bevatten ongeveer het equivalent van een paar miljoen zonnen), terwijl andere mogelijk zwaarder zijn dan een miljoen miljoen zonnen. Momenteel bevindt meer dan de helft van de sterren in het heelal zich in enorme bolvormige sterrenstelsels.
Een van de belangrijkste open vragen van de moderne astrofysica en kosmologie is hoe en wanneer sterrenstelsels zich vormden en evolueerden vanuit het oergas dat het vroege heelal vulde. In de meest populaire huidige theorie zijn sterrenstelsels in het lokale universum het resultaat van een relatief traag proces waarbij kleine en minder zware sterrenstelsels samensmelten om geleidelijk grotere en zwaardere sterrenstelsels op te bouwen. In dit scenario, dat 'hiërarchische versmelting' wordt genoemd, werd het jonge universum bevolkt door kleine sterrenstelsels met weinig massa, terwijl het huidige heelal grote, oude en massieve sterrenstelsels bevat - de allerlaatste die zich vormen in de laatste fase van een traag assemblageproces.
Als dit scenario waar was, zou men in het jonge universum geen enorme elliptische sterrenstelsels kunnen vinden. Of, met andere woorden, vanwege de eindige lichtsnelheid zouden zulke enorme sterrenstelsels niet ver van ons verwijderd moeten zijn. En inderdaad, tot nu toe was er geen oud elliptisch sterrenstelsel bekend buiten een radio-melkwegstelsel bij roodverschuiving 1.55 dat bijna tien jaar geleden werd ontdekt.
De K20-enquête
Om het vormingsproces van sterrenstelsels beter te begrijpen en om te verifiëren of het hiërarchische samenvoegingsscenario geldig is, gebruikte een team van Italiaanse en ESO-astronomen ESO's Very Large Telescope als een "tijdmachine" om te zoeken naar zeer afgelegen elliptische sterrenstelsels. Dit is echter niet onbelangrijk. Verre elliptische sterrenstelsels, met hun inhoud van oude en rode sterren, moeten inderdaad zeer zwakke objecten zijn met optische golflengten, aangezien het grootste deel van hun licht rood wordt verschoven naar het infrarode deel van het spectrum. Afgelegen elliptische sterrenstelsels behoren dus tot de moeilijkste observatiedoelen, zelfs voor de grootste telescopen; dit is ook de reden waarom het 1.55 roodverschuivingsrecord zo lang is blijven bestaan.
Maar deze uitdaging hield de onderzoekers niet tegen. Ze verkregen diepe optische spectroscopie met het multi-mode FORS2-instrument op de VLT voor een steekproef van 546 zwakke objecten gevonden in een hemelgebied van 52 arcmin2 (of ongeveer een tiende van het gebied van de Volle Maan) dat bekend staat als het K20-veld, en die deels overlapt met het gebied GOODS-Zuid. Hun doorzettingsvermogen werd beloond en ze werden beloond met de ontdekking van vier oude, enorme sterrenstelsels met roodverschuivingen tussen 1,6 en 1,9. Deze sterrenstelsels worden gezien toen het heelal slechts ongeveer 25% was van zijn huidige leeftijd van 13.700 miljoen jaar.
Voor een van de sterrenstelsels profiteerde het K20-team ook van de database van openbaar beschikbare spectra in het GOODS-South-gebied, verzameld door het ESO / GOODS-team.
Een nieuwe populatie van sterrenstelsels
De nieuw ontdekte sterrenstelsels worden dus gezien toen het heelal ongeveer 3.500 miljoen jaar oud was, d.w.z. 10.000 miljoen jaar geleden. Maar uit de genomen spectra blijkt dat deze sterrenstelsels sterren bevatten met een leeftijd tussen 1.000 en 2.000 miljoen jaar. Dit impliceert dat de sterrenstelsels dienovereenkomstig eerder moeten zijn gevormd en dat ze hun assemblage in wezen moeten hebben voltooid op een moment dat het heelal slechts 1.500 tot 2.500 miljoen jaar oud was.
De sterrenstelsels lijken massa's te hebben van meer dan honderdduizend miljoen zonsmassa's en hebben daarom afmetingen die vergelijkbaar zijn met de meest massieve sterrenstelsels in het huidige heelal. Complementaire beelden die zijn genomen binnen het GOODS-onderzoek ("The Great Observatories Origins Deep Survey") door de Hubble-ruimtetelescoop, laten zien dat deze sterrenstelsels structuren en vormen hebben die min of meer identiek zijn aan die van de huidige enorme elliptische sterrenstelsels.
De nieuwe waarnemingen hebben daarom een nieuwe populatie van zeer oude en massieve sterrenstelsels onthuld.
Het bestaan van zulke massieve en oude bolvormige sterrenstelsels in het vroege heelal laat zien dat de assemblage van de huidige massieve elliptische sterrenstelsels veel eerder begon en veel sneller was dan voorspeld door de hiërarchische fusietheorie. Andrea Cimatti (INAF, Firenze, Italië), leider van het team: "Onze nieuwe studie roept nu fundamentele vragen op over ons begrip en kennis van de processen die de ontstaansgeschiedenis en de evolutionaire geschiedenis van het heelal en zijn structuren hebben gereguleerd."
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
