De Spitzer Space Telescope (SST) is het vierde en laatste instrument in NASA's Great Observatories-serie. De SST volgde de Hubble-ruimtetelescoop (HST), Chandra X-Ray en Compton Gamma Ray-observatoria de ruimte in op 25 augustus 2003. Geplaatst in een baanbrekende heliocentrische (zonne-) baan om de aarde, en werkte onder een charter van meer dan 2,5 jaar binnen NASA's Origins Program, de SST onthulde in mei 2004 het eerste openbare licht - waardoor de wereld een spectaculair infrarood beeld kreeg van het face-on grote spiraalstelsel M51 in Canes Venatici.
Lord Rosse beschreef M51 voor het eerst als een "spiraalnevel" in 1845. Pas toen Edwin Hubble zwakke variabele sterren oploste in een andere "M" - M31 - bereikten M51 en andere "spiraalnevels" een rang die gelijk was aan onze eigen Melkweg - Heelal!
Maar iets noemen, is het niet uitleggen. Een van de moeilijkste dingen om uit te leggen is: 'Hoe is het geworden wat het is?'
Ruim voor de vrijgave van SST's beeld van M51 hadden astronomen al een "heads-up" gekregen van een zeldzaam exemplaar van een klasse van verre objecten in de hemel - een uitgestrekt gebied van gas en stof dat vaag gloeit, maar onbeheerd door stellair licht - precies het soort onderzoek dat een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de manier waarop astronomen de vorming van sterrenstelsels begrijpen. Het Origins-programma van NASA had een grote hit gemaakt en nu was het probleem om de hardloper naar huis te brengen met behulp van andere gegevensbronnen ...
In een artikel getiteld "Ontdekking van een grote gasvormige nevel van ~ 200kpc op z = ~ 2,7 met de Spitzer-ruimtetelescoop" (gepubliceerd op 29 maart 2005), astrofysicus Arjun Dey van de National Optical Astronomy Observatory (NOAO) en collega's van andere organisaties ( inclusief het SST-operatiecentrum in het Jet Propulsion Laboratory) verzamelde gegevens uit de onderste helft van het em-spectrum - radio tot zichtbaar licht - om een beeld te schetsen van de vroege vorming van sterrenstelsels in verband met dit opgewonden (en opwindende) stofgebied en gas bevindt zich zo'n 11,3 BLY's verwijderd in tijd en ruimte.
In de woorden van het team: "We melden de ontdekking van een zeer grote ruimtelijk uitgestrekte nevel geassocieerd met een lichtgevende midden-infraroodbron." Voor jou en mij betekent dat dat ze "een lange tijd geleden, en ver weg van de vroege galactische geboorte" ontdekten.
Het object (SST24 J1434110 + 331733) was oorspronkelijk in kaart gebracht met behulp van de MIPS- en IRAC-detectoren van de SST tijdens een mid-infraroodonderzoek van het sterrenbeeld Bootes eind januari 2004. Na datareductie door JPL-personeel werd het duidelijk dat SST24 enige buitengewoon belangrijke inzichten in dat mysterieuze tijdperk van galactische ontplooiing waarin jonge sterrenstelsels zich nestelen in het spul van stervorming. Maar om dit spul binnen te dringen, zou het beeld van de regio moeten worden vergroot met licht van over het hele em-spectrum.
Gedeeltelijk werd de noodzaak om SST24 anders te bekijken gedreven door de beperkte opening van de spiegel van 0,84 meter van SST en die lange golflengten die geassocieerd worden met infrarood licht. In het beste geval onthulde de SST het centrale derde deel van de nevels. (Instrumenten aan boord van de SST zijn beperkt tot een detailresolutie van 6 boogseconden.) Drie ingebouwde detectoren (de infrarood-arraycamera - IRAC, infraroodspectrograaf - IRS en multiband-beeldfotometer voor Spitzer - MIPS) beeld en analyseer infrarood licht in het midden tot ver -infrarode golflengten (3,6-160 micrometer).
Hoewel het licht dat met de drie SST-instrumenten wordt waargenomen, meestal afkomstig is van "warme" objecten (gassen en stof), kan ook licht van bijna optische bronnen worden gezien na een uitgebreide roodverschuiving over grote afstanden. Interessant is dat een bepaalde heldere lijn in datzelfde 'bijna optische licht' voor het eerst werd gemarkeerd voor astronomisch gebruik door astrofysicus Lyman Spitzer - naamgenoot van de SST zelf - een van de toonaangevende voorstanders van infraroodastronomie uit de 20e eeuw.
Samen met gegevens van andere instrumenten stelden Dey en zijn team een overtuigende case samen voor een actieve galactische kernen (AGN) binnen SST24. Indien geverifieerd, zou zo'n AGN aantonen dat zwarte gaten een belangrijke rol spelen in de vroege evolutie van sterrenstelsels. Zo'n voorbeeld kan heel goed een revolutie teweegbrengen in ons begrip van de vorming van sterrenstelsels door van AGN's meer de oorzaak - en niet het gevolg - van de vorming van sterrenstelsels te maken ...
Visuele gegevens die werden gebruikt door het team dat is verbonden aan SST24, werden verzameld met behulp van de 4 m en 2,1 m telescopen van de NOAO in Kitt Peak, Arizona. Deze instrumenten verbeterden de SST-resolutie met een factor van bijna acht keer. Andere gegevens die beschikbaar waren in optisch licht, vergrootten het beeld van de energie-output van SST24. In mei en juni 2004 werd spectrografische informatie over SST24 (samen met voor- en achtergrondobjecten) verzameld in fijn afgestemde en nauwkeurig georiënteerde stroken van 1 boogseconde door het 10 meter lange Keck I-instrument op Mauna Kea, Hawaii.
Uit de samenvatting van het artikel: 'De heldere midden-infraroodbron werd voor het eerst gedetecteerd in waarnemingen die werden gedaan met de Spitzer-ruimtetelescoop. Bestaande breedbandige beeldgegevens van de NOAO Deep Wide-Field Survey onthulden dat de midden-infraroodbron geassocieerd zou worden met een diffuse, ruimtelijk uitgebreide, optische tegenhanger ... Spectroscopie en verdere beeldvorming ... onthult dat de optische bron bijna puur lijn-emitterende nevel is met weinig of geen waarneembare diffuse continuümemissie. ”
Doorgaans vertonen volwassen sterrenstelsels een volledig spectrum van licht dat wordt gegenereerd door straling van zwarte lichamen afkomstig van stellaire fotosferen. Dergelijke breedbandspectra worden gewoonlijk versterkt door smalle, heldere emissielijnen die worden geassocieerd met atoomexcitatie. Maar het spectrum van SST24 wordt gedomineerd door een enkele smalle band van straling. Die band - hoewel ongeveer 3,7 keer rood verschoven vanwege 11,3 BLY's van recessie - associeert met de "Lyman Alpha" -frequentie uitgezonden door waterstofgas. Gewoonlijk worden dergelijke Lyman-alfawolken bestraald door stimulatie van verre achtergrondquasars. Maar in het geval van SST24 kan er een ander mechanisme bij betrokken zijn - een bron van zwarte gaten in de nevel zelf.
Bij het samenvoegen van de structuur van SST24, heeft het wetenschapsteam vastgesteld dat de AGN bijna een tiende van de volledige breedte van het midden van de cloud is verwijderd. Hoewel het onduidelijk is welke impact deze verschuiving heeft op de vorming van sterrenstelsels, moet het feit ervan worden meegenomen in hoe we de vorming van sterrenstelsels in de toekomst modelleren.
Spectrografische verschuivingen in Lyman-alfa-licht geven ook aan dat het centrale 100 KLY-gebied van SST24 langzaam ronddraait en het massa-equivalent bevat van ongeveer 6 biljoen zonnen - ongeveer 5x die van onze eigen Melkweg en Draaikolk (M51) -stelsels samen. SST24 omvat een gebied in de ruimte dat gemakkelijk de hele Melkweg en alle twaalf satellietstelsels omvat.
Maar SST24 is niet helemaal verstoken van stervorming. Het team meldt dat 'een jong stervormingsstelsel nabij het noordelijke uiteinde van de nevel ligt'. Dat sterrenstelsel is rood geworden door stof, heeft dezelfde roodverschuiving als de Lyman-alfa-straling, plus breedbandstraling geassocieerd met stervorming. Dit sterrenstelsel geeft geen indicatie van het hebben van een AGN. Hierdoor zullen we er snel achter komen dat AGN's mogelijk niet essentieel zijn voor de vorming van alle sterrenstelsels.
Hoewel radiofrequentieonderzoek van SST24 moeilijk is (vanwege resolutieproblemen bij lange golflengten), wijst het team erop dat de verhouding tussen midden-infrarood en radiogolfdichtheid "opmerkelijke gelijkenis vertoont met starburst-sterrenstelsels ..." Om deze reden zijn delen van SST24 zal door een tijdperk van snelle stellaire evolutie gaan die snel zou kunnen leiden tot de openbaring van een volwaardig sterrenstelsel rijk aan lichtgevende kweeksterren ...
SST24 is niet de enige Lyman-alpha-wolk die ooit is gedetecteerd, maar de weinigen die zijn ontdekt, worden door het wetenschapsteam als buitengewoon beschouwd: "De zeldzaamheid van deze> 100kpc lyman-alpha-wolken, hun associatie met krachtige AGN- en melkwegoverdensiteiten, en hun energetica suggereren allemaal dat deze regio's de formatieplaatsen zijn van de meest massieve sterrenstelsels. Als dat zo is, kan het begrijpen van de fysieke omstandigheden en energetica van deze systemen belangrijke inzichten verschaffen in het enorme proces van de vorming van sterrenstelsels. ”
Geschreven door Jeff Barbour
