Afbeelding tegoed: ESO
Een team van Europese en Chileense astronomen heeft op een afstand van 8 miljard lichtjaar verschillende grote clusters van sterrenstelsels ontdekt die inzicht zouden moeten geven in de structuur en evolutie van het heelal. De clusters van melkwegstelsels zijn ontdekt door afbeeldingen te combineren van de ESA's XMM-Newton-ruimtetelescoop en de ESO's Very Large Telescope. Clusters van sterrenstelsels zijn niet gelijkmatig verdeeld, maar lijken als een web door het heelal te zijn gespannen, en tot nu toe lijkt het erop dat de vorm van deze clusters niet is veranderd sinds het heelal nog heel jong was ...
Met behulp van de ESA XMM-Newton-satelliet heeft een team van Europese en Chileense astronomen [2] tot nu toe 's werelds diepste "wide-field" röntgenfoto van de kosmos verkregen. Dit indringende beeld, aangevuld met waarnemingen door enkele van de grootste en meest efficiënte optische telescopen op de grond, waaronder de ESO Very Large Telescope (VLT), heeft geleid tot de ontdekking van verschillende grote clusters van sterrenstelsels.
Deze vroege resultaten van een ambitieus onderzoeksprogramma zijn veelbelovend en maken de weg vrij voor een zeer uitgebreide en grondige telling van clusters van sterrenstelsels in verschillende tijdperken. Steunend op de meest vooraanstaande astronomische technologie en met een ongeëvenaarde observatie-efficiëntie, zal dit project nieuwe inzichten verschaffen in de structuur en evolutie van het verre heelal.
Het universele web
In tegenstelling tot zandkorrels op een strand, is materie niet uniform verspreid over het heelal. In plaats daarvan is het geconcentreerd in sterrenstelsels die zelf samenkomen in clusters (en zelfs clusters van clusters). Deze clusters zijn door het hele heelal 'geregen' in een webachtige structuur, vgl. ESO PR 11/01.
Onze Melkweg, de Melkweg, behoort bijvoorbeeld tot de zogenaamde Lokale Groep die ook "Messier 31", de Andromedanevel, omvat. De Lokale Groep bevat ongeveer 30 sterrenstelsels en meet een paar miljoen lichtjaar in doorsnee. Andere clusters zijn veel groter. De Coma-cluster bevat duizenden sterrenstelsels en meet meer dan 20 miljoen lichtjaar. Een ander bekend voorbeeld is de Maagd-cluster, die maar liefst 10 graden aan de hemel bedekt!
Clusters van sterrenstelsels zijn de meest massieve gebonden structuren in het heelal. Ze hebben massa's van de orde van duizend miljoen miljoen keer de massa van onze zon. Hun driedimensionale ruimteverdeling en getalsdichtheid veranderen met kosmische tijd en geven op een unieke manier informatie over de belangrijkste kosmologische parameters.
Ongeveer een vijfde van de optisch onzichtbare massa van een cluster heeft de vorm van een diffuus heet gas tussen de sterrenstelsels. Dit gas heeft een temperatuur in de orde van enkele tientallen miljoenen graden en een dichtheid in de orde van grootte van één atoom per liter. Bij zulke hoge temperaturen produceert het krachtige röntgenstraling.
Het observeren van dit intergalactische gas en niet alleen de individuele sterrenstelsels is als het zien van de gebouwen van een stad overdag, niet alleen de verlichte ramen 's nachts. Daarom worden clusters van sterrenstelsels het best ontdekt met behulp van röntgensatellieten.
Met behulp van eerdere röntgensatellieten hebben astronomen beperkte studies uitgevoerd naar de grootschalige structuur van het nabijgelegen heelal. Tot dusver ontbraken ze echter de instrumenten om de zoektocht uit te breiden tot grote volumes van het verre heelal.
De XMM-Newton breedveldwaarnemingen
Marguerite Pierre (CEA Saclay, Frankrijk), met een Europees / Chileens team van astronomen dat bekend staat als het XMM-LSS-consortium [2], gebruikte het grote gezichtsveld en de hoge gevoeligheid van ESA's röntgenobservatorium XMM-Newton om zoek naar afgelegen sterrenstelsels en breng hun verspreiding in de ruimte in kaart. Ze konden ongeveer 7.000 miljoen jaar terugblikken op een kosmologisch tijdperk waarin het heelal ongeveer de helft van zijn huidige omvang en leeftijd had, toen clusters van sterrenstelsels dichter opeengepakt zaten.
Het opsporen van de clusters is een nauwgezet, uit meerdere stappen bestaand proces, waarvoor zowel ruimte- als grondtelescopen nodig zijn. Uit röntgenfoto's met XMM was het inderdaad mogelijk om enkele tientallen kandidaat-clusterobjecten te selecteren, geïdentificeerd als gebieden met verbeterde röntgenstraling (zie PR Foto 19b / 03).
Maar kandidaten hebben is niet genoeg! Ze moeten worden bevestigd en verder worden bestudeerd met telescopen op de grond. In combinatie met XMM-Newton gebruikt Pierre de imago voor een zeer breed veld die is bevestigd aan de 4 meter lange Canada-France-Hawaii-telescoop op Mauna Kea, Hawaii, om een optische momentopname te maken van hetzelfde gebied in de ruimte. Een op maat gemaakt computerprogramma kamt vervolgens de XMM-Newton-gegevens op zoek naar concentraties van röntgenstralen die grote, uitgebreide structuren suggereren. Dit zijn de clusters en vertegenwoordigen slechts ongeveer 10% van de gedetecteerde röntgenbronnen. De andere zijn meestal verre actieve sterrenstelsels.
Terug naar de grond
Wanneer het programma een cluster vindt, zoomt het in op dat gebied en zet het de XMM-Newton-gegevens om in een contourkaart van de röntgenstraalintensiteit, die vervolgens wordt gesuperponeerd op het optische CFHT-beeld (PR Photo 19c / 03). De astronomen gebruiken dit om te controleren of er iets zichtbaar is binnen het gebied van uitgebreide röntgenstraling.
Als er iets wordt gezien, verschuift het werk naar een van 's werelds beste optische / infraroodtelescopen, de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory in Paranal (Chili). Door middel van de FORS multi-mode instrumenten zoomen de astronomen in op de individuele sterrenstelsels in het veld, waarbij ze spectrale metingen doen die hun algemene karakteristieken, in het bijzonder hun roodverschuiving en dus afstand, onthullen.
Clusterstelsels hebben vergelijkbare afstanden en deze metingen geven uiteindelijk, door het gemiddelde te nemen, de afstand van het cluster en de snelheidsverspreiding in het cluster. De FORS-instrumenten behoren tot de meest efficiënte en veelzijdige voor dit soort werk en nemen de gemiddelde spectra van 30 sterrenstelsels tegelijk aan.
De eerste spectroscopische waarnemingen gewijd aan de identificatie en roodverschuivingsmeting van de XMM-LSS-sterrenstelselclusters vonden plaats gedurende drie nachten in het najaar van 2002.
Vanaf maart 2003 waren er slechts 5 bekende clusters in de literatuur bij zo'n grote roodverschuiving met voldoende spectroscopisch gemeten roodverschuivingen om een schatting van de snelheidsverspreiding mogelijk te maken. Maar de VLT maakte het mogelijk om de dispersie in slechts 2 uur in een verre cluster te verkrijgen, wat hoge verwachtingen wekte voor toekomstig werk.
700 spectra…
Marguerite Pierre is buitengewoon tevreden: het weer en de arbeidsomstandigheden bij de VLT waren optimaal. Slechts in drie nachten werden 12 clustervelden waargenomen, die maar liefst 700 spectra van sterrenstelsels opleverden. De algemene strategie bleek zeer succesvol. De hoge observatie-efficiëntie van de VLT en FORS ondersteunen ons plan om vervolgstudies uit te voeren van grote aantallen verre clusters met relatief weinig observatietijd. Dit betekent een aanzienlijk grotere efficiëntie vergeleken met eerdere zoekopdrachten.
Het huidige onderzoeksprogramma is goed begonnen, wat duidelijk de haalbaarheid aantoont van deze nieuwe benadering met meerdere telescopen en het zeer hoge rendement. En Marguerite Pierre en haar collega's zien al de eerste prikkelende resultaten: het lijkt te bevestigen dat het aantal clusters 7.000 miljoen jaar geleden weinig verschilt van dat van vandaag. Dit specifieke gedrag wordt voorspeld door modellen van het heelal die voor altijd uitdijen en de clusters van melkwegstelsels steeds verder uit elkaar drijven.
Even belangrijk is deze benadering met meerdere golflengten en meerdere telescopen, ontwikkeld door het XMM-LSS-consortium om clusters van sterrenstelsels te lokaliseren, ook een beslissende volgende stap in de vruchtbare synergie tussen ruimte en op de grond gebaseerde observatoria en is daarom een fundamentele bouwsteen van de aanstaande Virtual Observatory.
Meer informatie
Dit werk is gebaseerd op twee artikelen die worden gepubliceerd in het professionele astronomietijdschrift Astronomy and Astrophysics (The XMM-LSS survey: I. Wetenschappelijke motivaties, ontwerp en eerste resultaten door Marguerite Pierre et al., Astro-ph / 0305191 en The XMM -LSS-onderzoek: II. Eerste clusters van hoge roodverschuivingsstelsels: ontspannen en instortende systemen door Ivan Valtchanov et al., Astro-ph / 0305192).
Dr. M. Pierre zal op donderdag 17 juli 2003 tijdens de Algemene Vergadering van de IAU in Sydney, Australië, een uitgenodigde lezing over dit onderwerp geven op het IAU Symposium 216 - Maps of the Cosmos.
Opmerkingen
[1]: Dit is een gecoördineerde ESO / ESA-release.
[2]: Het XMM-LSS-consortium wordt geleid door de Service d’Astrophysique du CEA (Frankrijk) en bestaat uit instituten uit het VK, Ierland, Denemarken, Nederland, België, Frankrijk, Italië, Duitsland, Spanje en Chili. De homepage van het XMM-LSS-project is te vinden op http://vela.astro.ulg.ac.be/themes/spatial/xmm/LSS/index_e.html
[3]: In de astronomie duidt de "roodverschuiving" de fractie aan waarmee de lijnen in het spectrum van een object naar langere golflengten worden verschoven. Aangezien de roodverschuiving van een kosmologisch object toeneemt met de afstand, geeft de waargenomen roodverschuiving van een afgelegen sterrenstelsel ook een schatting van de afstand.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
