Afbeelding tegoed: ESO
Met behulp van het ISAAC-nabij-infraroodinstrument op ESO's Very Large Telescope en het vergrotingseffect van een zwaartekrachtlens heeft een team van Franse en Zwitserse astronomen [2] verschillende zwakke sterrenstelsels gevonden waarvan wordt aangenomen dat ze de meest afgelegen zijn.
Verdere spectroscopische studies van een van deze kandidaten hebben een sterk bewijs geleverd voor wat nu de nieuwe recordhouder is - en verreweg - van het verste sterrenstelsel dat in het heelal bekend is.
Het nieuw ontdekte sterrenstelsel, Abell 1835 IR1916 genoemd, heeft een roodverschuiving van 10 [3] en bevindt zich op ongeveer 13,230 miljoen lichtjaar afstand. Het wordt daarom gezien in een tijd dat het heelal nog maar 470 miljoen jaar jong was, dat wil zeggen amper 3 procent van zijn huidige leeftijd.
Dit oerstelsel lijkt tienduizend keer minder massief te zijn dan ons Melkwegstelsel, de Melkweg. Het is misschien wel een van de eerste klasse objecten die een einde maakte aan de donkere middeleeuwen van het universum.
Deze opmerkelijke ontdekking illustreert het potentieel van grote telescopen op de grond in het nabij-infrarode domein voor de verkenning van het zeer vroege heelal.
Graven in het verleden
Net als paleontologen die dieper en dieper graven om de oudste overblijfselen te vinden, proberen astronomen steeds verder te kijken om het zeer jonge heelal onder de loep te nemen. De ultieme zoektocht? De eerste sterren en sterrenstelsels vinden die zich vlak na de oerknal hebben gevormd.
Meer in het bijzonder proberen astronomen de laatste 'onbekende gebieden', de grens tussen de 'donkere middeleeuwen' en de 'kosmische renaissance', te verkennen.
Kort na de oerknal, waarvan nu wordt aangenomen dat deze zo'n 13.700 miljoen jaar geleden heeft plaatsgevonden, stortte het heelal in duisternis. De relikwie-straling van de oorspronkelijke vuurbal was uitgerekt door de kosmische expansie naar langere golflengten en er waren nog geen sterren of quasars gevormd die de enorme ruimte konden verlichten. Het universum was een koude en ondoorzichtige plek. Dit sombere tijdperk wordt daarom redelijkerwijs de 'donkere middeleeuwen' genoemd.
Een paar honderd miljoen jaar later produceerden de eerste generatie sterren en, later nog steeds, de eerste sterrenstelsels en quasars intense ultraviolette straling, waardoor de mist geleidelijk over het heelal opsteeg.
Dit was het einde van de donkere middeleeuwen en, met een term die opnieuw is overgenomen uit de menselijke geschiedenis, wordt ook wel de 'kosmische renaissance' genoemd.
Astronomen proberen vast te stellen wanneer - en hoe - precies de donkere middeleeuwen zijn geëindigd. Dit vereist het zoeken naar de meest afgelegen objecten, een uitdaging die alleen de grootste telescopen, gecombineerd met een zeer zorgvuldige observatiestrategie, kunnen aangaan.
Met behulp van een Gravitational Telescope
Met de komst van telescopen van 8-10 meter klasse is het afgelopen decennium spectaculaire vooruitgang geboekt. Sindsdien is het inderdaad mogelijk geworden om met enige details enkele duizenden sterrenstelsels en quasars te observeren tot een afstand van bijna 12 miljard lichtjaar (d.w.z. tot een roodverschuiving van 3 [3]). Met andere woorden, astronomen zijn nu in staat individuele sterrenstelsels, hun vorming, evolutie en andere eigenschappen te bestuderen over typisch 85% van de geschiedenis van het heelal.
Verder werden in het verleden echter observaties van sterrenstelsels en quasars schaars. Momenteel worden slechts een handvol zeer zwakke sterrenstelsels ongeveer 1.200 tot 750 miljoen jaar na de oerknal gezien (roodverschuiving 5-7). Afgezien daarvan hebben de zwakte van deze bronnen en het feit dat hun licht van het optische naar het nabije infrarood wordt verschoven, de studies tot dusver ernstig beperkt.
Een belangrijke doorbraak in deze zoektocht naar het vroegst gevormde sterrenstelsel is nu bereikt door een team van Franse en Zwitserse astronomen [2] met ESO's Very Large Telescope (VLT) uitgerust met het nabij-infraroodgevoelige instrument ISAAC. Om dit te bereiken, moesten ze het lichtversterkingseffect van een cluster van sterrenstelsels - een zwaartekrachttelescoop - combineren met de lichtverzamelende kracht van de VLT en de uitstekende hemelomstandigheden in Paranal.
Op zoek naar verre sterrenstelsels
De jacht op zulke zwakke, ongrijpbare objecten vraagt om een bijzondere aanpak.
Allereerst werden zeer diepe beelden gemaakt van een cluster van sterrenstelsels genaamd Abell 1835 met behulp van het ISAAC nabij-infraroodinstrument op de VLT. Dergelijke relatief nabije massieve clusters kunnen het licht van achtergrondbronnen buigen en versterken - een fenomeen dat Gravitational Lensing wordt genoemd en wordt voorspeld door Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie.
Door deze natuurlijke versterking kunnen de astronomen naar sterrenstelsels turen die anders te zwak zouden zijn om te zien. In het geval van het nieuw ontdekte sterrenstelsel wordt het licht ongeveer 25 tot 100 keer versterkt! Gecombineerd met de kracht van de VLT is het daardoor mogelijk geweest om een beeld van dit sterrenstelsel te nemen en zelfs te nemen. Inderdaad, de natuurlijke versterking vergroot effectief het diafragma van de VLT van 8,2 m tot 40-80 m.
De diepe bijna-IR-beelden die op verschillende golflengten zijn gemaakt, hebben de astronomen in staat gesteld de eigenschappen van een paar duizend sterrenstelsels in het beeld te karakteriseren en een handvol ervan te selecteren als potentieel zeer ver weg gelegen sterrenstelsels. Met behulp van eerder verkregen beelden gemaakt met de Canada-France-Hawaii-telescoop (CFHT) op Mauna Kea en beelden van de Hubble-ruimtetelescoop, is vervolgens geverifieerd dat deze sterrenstelsels inderdaad niet zichtbaar zijn in het optische. Op deze manier werden zes kandidaat-sterrenstelsels met hoge roodverschuiving herkend waarvan het licht mogelijk werd uitgezonden toen het heelal nog geen 700 miljoen jaar oud was.
Om de afstand van een van deze sterrenstelsels te bevestigen en nauwkeuriger te bepalen, hebben de astronomen Director's Discretionary Time verkregen om ISAAC opnieuw op de VLT te gebruiken, maar deze keer in de spectroscopische modus. Na enkele maanden van zorgvuldige analyse van de gegevens zijn de astronomen ervan overtuigd dat ze een zwak maar duidelijk spectraal kenmerk in het nabij-infrarode domein hebben gedetecteerd. De astronomen hebben er sterk op gewezen dat dit kenmerk zeker de Lyman-alfa-emissielijn is die typisch is voor deze objecten. Deze lijn, die in het laboratorium voorkomt bij een golflengte van 0,1216 urn, dat wil zeggen in het ultraviolet, is uitgerekt tot bijna infrarood op 1,34 urn, waardoor Abell 1835 IR1916 het eerste sterrenstelsel is waarvan bekend is dat het een roodverschuiving heeft zo groot als 10.
Het verste sterrenstelsel dat tot nu toe bekend is
Dit is het sterkste geval voor een roodverschuiving boven het huidige spectroscopisch bevestigde record bij z = 6,6 en het eerste geval van een dubbelcijferige roodverschuiving. Bij het schalen van de leeftijd van het heelal naar iemands leven (zeg maar 80 jaar), toonde het vorige bevestigde record een vierjarige peuter. Met de huidige observaties hebben we een foto van het kind toen hij twee en een half jaar oud was.
Uit de beelden van dit sterrenstelsel, verkregen in de verschillende golfbanden, leiden de astronomen af dat het een periode van intense stervorming ondergaat. Maar het aantal gevormde sterren wordt geschat op "slechts" 10 miljoen keer de massa van de zon, ongeveer tienduizend keer kleiner dan de massa van ons Melkwegstelsel, de Melkweg.
Met andere woorden, wat de astronomen zien, is de eerste bouwsteen van de huidige grote sterrenstelsels. Deze bevinding komt goed overeen met ons huidige begrip van het proces van de vorming van sterrenstelsels dat overeenkomt met een opeenvolgende opeenhoping van de grote sterrenstelsels die we tegenwoordig zien door talloze fusies van 'bouwstenen', kleinere en jongere sterrenstelsels die in het verleden zijn gevormd.
Het zijn deze bouwstenen die mogelijk de eerste lichtbronnen hebben opgeleverd die de mist over het heelal hebben opgeheven en een einde hebben gemaakt aan de donkere middeleeuwen.
Voor Roser Pell ?, van het Observatoire Midi-Pyr? N? Es (Frankrijk) en co-leider van het team: “deze waarnemingen laten zien dat onder uitstekende hemelomstandigheden zoals die bij ESO's Paranal Observatory, en met behulp van sterke zwaartekrachtlensing, directe waarnemingen van verre sterrenstelsels dicht bij de donkere middeleeuwen zijn mogelijk met de beste telescopen op de grond. ”
De andere co-leider van het team, Daniel Schaerer van de Geneva Observatory and University (Zwitserland), is enthousiast: "Deze ontdekking opent de weg voor toekomstige verkenningen van de eerste sterren en sterrenstelsels in het vroege heelal."
Meer informatie
De informatie in dit persbericht is gebaseerd op een onderzoeksartikel in het Europese onderzoekstijdschrift "Astronomy & Astrophysics" (A&A, volume 416, pagina L35; "ISAAC / VLT-waarnemingen van een lensstelsel op z = 10,0" door Roser Pell? (Daniel Schaerer, Johan Richard, Jean-Fran? Ois Le Borgne en Jean-Paul Kneib). Het is beschikbaar op internet op de EDP-website.
Aanvullende uitleg en afbeeldingen zijn beschikbaar op de webpagina van de auteur, op http://obswww.unige.ch/sfr en http://webast.ast.obs-mip.fr/galaxies/
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
