Afbeelding tegoed: Hubble
Een internationaal team van astronomen heeft bewijs verzameld dat sterrenstelsels zich zeer snel na de oerknal hebben gevormd. Dit betekent dat ze nog maar 1,5 miljard jaar oud zijn, een tijd waarin het heelal nog maar 10% van zijn huidige leeftijd was. Er wordt aangenomen dat deze clusters zo snel zijn ontstaan omdat deze gebieden ongelooflijk dicht waren met materiaal.
Bijna 9 miljard jaar terugblikkend vond een internationaal team van astronomen volwassen sterrenstelsels in een jong universum. De sterrenstelsels zijn lid van een cluster van sterrenstelsels die bestond toen het universum slechts 5 miljard jaar oud was, of ongeveer 35 procent van zijn huidige leeftijd. Dit overtuigende bewijs dat sterrenstelsels net na de oerknal begonnen te zijn, werd versterkt door waarnemingen van hetzelfde team van astronomen toen ze nog verder terug in de tijd tuurden. Het team vond embryonale sterrenstelsels slechts 1,5 miljard jaar na de geboorte van de kosmos, of 10 procent van de huidige leeftijd van het universum. De 'babystelsels' bevinden zich in een zich nog in ontwikkeling zijnde cluster, het verste protocluster dat ooit is gevonden.
De Advanced Camera for Surveys (ACS) aan boord van NASA's Hubble Space Telescope werd gebruikt om waarnemingen te doen van de enorme cluster, RDCS 1252.9-2927, en de proto-cluster, TN J1338-1942. Waarnemingen door NASA's Chandra X-ray Observatory leverden de massa en het gehalte aan zware elementen op van RDCS 1252, de meest massieve bekende cluster voor dat tijdperk. Deze waarnemingen maken deel uit van een gecoördineerde inspanning van het ACS-wetenschapsteam om de vorming en evolutie van clusters van sterrenstelsels over een breed spectrum van kosmische tijd te volgen. De ACS is speciaal gebouwd voor studies van dergelijke verre objecten.
Deze bevindingen ondersteunen verder waarnemingen en theorieën die sterrenstelsels relatief vroeg in de geschiedenis van de kosmos vormden. Het bestaan van zulke enorme clusters in het vroege universum komt overeen met een kosmologisch model waarin clusters ontstaan door de samenvoeging van vele subclusters in een universum dat wordt gedomineerd door koude donkere materie. De precieze aard van koude donkere materie is echter nog steeds niet bekend.
De eerste Hubble-studie schatte dat sterrenstelsels in RDCS 1252 meer dan 11 miljard jaar geleden het grootste deel van hun sterren vormden (bij roodverschuivingen groter dan 3). De resultaten zijn gepubliceerd in het nummer van 20 oktober 2003 van het Astrophysical Journal. De hoofdauteur van de paper is John Blakeslee van de Johns Hopkins University in Baltimore, Md.
De tweede Hubble-studie onthulde voor het eerst een proto-cluster van 'kinderstelsels' die meer dan 12 miljard jaar geleden bestond (bij roodverschuiving 4.1). Deze sterrenstelsels zijn zo jong dat astronomen nog steeds een vlaag van sterren in zich kunnen zien. De sterrenstelsels zijn gegroepeerd rond één groot sterrenstelsel. Deze resultaten zullen worden gepubliceerd in het nummer van 1 januari 2004 van Nature. De hoofdauteur van de krant is George Miley van de Sterrewacht Leiden in Nederland.
"Tot voor kort dachten mensen niet dat er clusters bestonden toen het universum nog maar ongeveer 5 miljard jaar oud was", legde Blakeslee uit.
"Zelfs als er zulke clusters waren," voegde Miley eraan toe, "tot voor kort dachten astronomen dat het bijna onmogelijk was om clusters te vinden die 8 miljard jaar geleden bestonden. Niemand wist zelfs echt wanneer clustering begon. Nu kunnen we het zien. '
Beide studies leidden ertoe dat de astronomen concludeerden dat deze systemen de voorlopers zijn van de melkwegclusters die we tegenwoordig zien. "De cluster RDCS 1252 ziet eruit als een hedendaagse cluster", zegt Marc Postman van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, MD, en co-auteur van beide onderzoeksartikelen. "In feite, als je het naast een hedendaagse cluster zou plaatsen, zou je niet weten wat dat is."
A Tale of Two Clusters
Hoe kunnen sterrenstelsels zo snel groeien na de oerknal? 'Het gaat erom dat de rijken rijker worden', zei Blakeslee. "Deze clusters groeiden snel omdat ze zich in zeer dichte regio's bevinden, dus er is genoeg materiaal om de ledenstelsels zeer snel op te bouwen."
Dit idee wordt versterkt door röntgenobservaties van de massieve cluster RDCS 1252. Chandra en de XMM-Newton van de European Space Agency gaven astronomen tot op heden de meest nauwkeurige metingen van de eigenschappen van een enorme wolk van heet gas dat de massieve cluster doordringt. Dit gas van 160 miljoen graden Fahrenheit (70 miljoen graden Celsius) is een reservoir van de meeste zware elementen in de cluster en een nauwkeurige tracer van zijn totale massa. Een paper van Piero Rosati van de European Southern Observatory (ESO) en collega's die de röntgenobservaties van RDCS 1252 presenteert, zal in januari 2004 worden gepubliceerd in het Astronomical Journal.
"Chandra's scherpe visie loste de vorm van de heetgas-halo op en toonde aan dat RDCS 1252 erg volwassen is voor zijn leeftijd", zegt Rosati, die het cluster ontdekte met de ROSAT-röntgentelescoop.
RDCS 1252 kan vele duizenden sterrenstelsels bevatten. De meeste van deze sterrenstelsels zijn echter te zwak om te detecteren. Maar de krachtige 'ogen' van de ACS lokaliseren honderden van hen. Waarnemingen met ESO's Very Large Telescope (VLT) leverden een nauwkeurige meting van de afstand tot de cluster op. De ACS stelde de onderzoekers in staat om nauwkeurig de vormen en kleuren van de 100 sterrenstelsels te bepalen en informatie te verstrekken over de leeftijden van de sterren die erin verblijven. Het ACS-team schatte dat de meeste sterren in de cluster al waren gevormd toen het universum ongeveer 2 miljard jaar oud was. Röntgenobservaties toonden bovendien aan dat 5 miljard jaar na de oerknal het omringende hete gas was verrijkt met zware elementen van deze sterren en was weggespoeld van de sterrenstelsels.
Als de meeste sterrenstelsels in RDCS 1252 volwassen zijn geworden en zich in een rustige volwassenheid vestigen, bevinden de vormende sterrenstelsels in het verre proto-cluster zich in hun energieke, weerbarstige jeugd.
De proto-cluster TN J1338 bevat een enorm embryonaal sterrenstelsel omgeven door kleinere zich ontwikkelende sterrenstelsels, die op stippen lijken in het Hubble-beeld.
Het dominante sterrenstelsel produceert spectaculaire radio-emitterende stralen, gevoed door een superzwaar zwart gat diep in de kern van het sterrenstelsel. Interactie tussen deze stralen en het gas kan een stortvloed aan stergeboorte stimuleren.
De ontdekking van het energetische radiostelsel door radiotelescopen zette astronomen ertoe aan te jagen op de kleinere sterrenstelsels die het grootste deel van de cluster vormen.
"Enorme clusters zijn de steden van het universum en de radiostelsels daarbinnen zijn de schoorstenen die we kunnen gebruiken om ze te vinden wanneer ze zich net beginnen te vormen", zei Miley.
De twee bevindingen onderstrepen de kracht van het combineren van waarnemingen van veel verschillende telescopen die uitzicht bieden op het verre heelal in een reeks golflengten. De geavanceerde camera van Hubble leverde kritische informatie over de structuur van beide verre melkwegclusters. De röntgenvisie van Chandra en XMM-Newton leverde de essentiële metingen van het oergas waarin de sterrenstelsels in RDCS 1252 zijn ingebed, en nauwkeurige schattingen van de totale massa in die cluster. Grote telescopen op de grond, zoals de VLT, leverden nauwkeurige metingen van de afstand van beide sterrenhopen en de chemische samenstelling van de sterrenstelsels daarin.
Het ACS-team doet verdere observaties van verre clusters om ons begrip te staven van hoe deze jonge clusters en hun sterrenstelsels evolueren naar de vorm van de dingen die we tegenwoordig zien. Hun geplande waarnemingen omvatten het gebruik van nabij-infraroodwaarnemingen om de stervormingssnelheden te analyseren in enkele van de doelclusters, waaronder RDCS 1252, om de kosmische geschiedenis van stervorming in deze massieve structuren te meten. Het team zoekt ook in de regio's rond verschillende ultra-verre radiostelsels naar aanvullende voorbeelden van proto-clusters. Het ultieme wetenschappelijke doel van het team is om een compleet beeld te krijgen van de evolutie van clusters, te beginnen met de vorming in de vroegste tijdperken en met een gedetailleerde beschrijving van de evolutie tot op heden.
Oorspronkelijke bron: Hubble News Release
