Afbeelding tegoed: ESO
Een internationaal team van astronomen heeft de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory gebruikt om diep de ruimte in te kijken en sterrenstelsels op 12,6 miljard lichtjaar afstand te zien - deze sterrenstelsels worden gezien toen het heelal nog maar 10% van zijn huidige leeftijd was. Er zijn maar weinig oude sterrenstelsels gevonden en deze nieuwe verzameling heeft de astronomen geholpen te concluderen dat ze deel uitmaken van een kosmisch donker tijdperk, toen lichtgevende sterrenstelsels zeldzamer waren - er waren er veel meer, pas 500 miljoen jaar later.
Met behulp van de ESO Very Large Telescope (VLT) hebben twee astronomen uit Duitsland en het VK [2] enkele van de verste sterrenstelsels ooit ontdekt. Ze bevinden zich op ongeveer 12.600 miljoen lichtjaar afstand.
Het licht dat nu door de VLT is geregistreerd, heeft ongeveer negen tiende van de leeftijd van het heelal nodig om deze enorme afstand te overbruggen. We observeren daarom die sterrenstelsels zoals ze waren in een tijd dat het heelal nog erg jong was, minder dan ongeveer 10% van zijn huidige leeftijd. Op dit moment kwam het heelal tevoorschijn uit een lange periode die bekend staat als de "donkere middeleeuwen" en betrad het de heldere "kosmische renaissance".
In tegenstelling tot eerdere studies die in dit vroege tijdperk tot de ontdekking van enkele, wijdverbreide sterrenstelsels leidden, vond de huidige studie ten minste zes afgelegen burgers binnen een klein hemelgebied, minder dan vijf procent van de grootte van de volle maan! Hierdoor konden we de evolutie van deze sterrenstelsels begrijpen en hoe ze de toestand van het heelal in zijn jeugd beïnvloeden.
In het bijzonder concluderen de astronomen op basis van hun unieke gegevens dat er in dit vroege stadium aanzienlijk minder lichtgevende sterrenstelsels in het heelal waren dan 500 miljoen jaar later.
Er moeten daarom veel minder lichtgevende sterrenstelsels zijn in het gebied van de ruimte dat ze hebben bestudeerd, te zwak om in dit onderzoek te worden gedetecteerd. Het moeten die nog niet geïdentificeerde sterrenstelsels zijn die de meerderheid van de energetische fotonen uitzenden die nodig zijn om de waterstof in het heelal in dat specifieke tijdperk te ioniseren.
Van de oerknal tot de kosmische renaissance
Tegenwoordig is het heelal doordrongen van energetische ultraviolette straling, geproduceerd door quasars en hete sterren. De fotonen met korte golflengte maken elektronen vrij van de waterstofatomen waaruit het diffuse intergalactische medium bestaat en dit laatste is daarom bijna volledig geïoniseerd. Er was echter een vroeg tijdperk in de geschiedenis van het heelal toen dit niet zo was.
Het heelal kwam voort uit een hete en extreem dichte begintoestand, de zogenaamde Big Bang. Astronomen geloven nu dat het ongeveer 13.700 miljoen jaar geleden plaatsvond.
Tijdens de eerste minuten werden enorme hoeveelheden protonen, neutronen en elektronen geproduceerd. Het heelal was zo heet dat protonen en elektronen vrij konden zweven: het heelal was volledig geïoniseerd.
Na ongeveer 100.000 jaar was het heelal afgekoeld tot een paar duizend graden en de kernen en elektronen combineerden zich nu tot atomen. Kosmologen noemen dit moment het 'recombinatie-tijdperk'. De achtergrondstraling die we nu vanuit alle richtingen waarnemen, geeft de toestand van grote uniformiteit in het heelal in dat verre tijdperk weer.
Dit was echter ook het moment waarop het universum in duisternis stortte. Aan de ene kant was de relikwie-straling van de oervuurbal uitgerekt door de kosmische expansie naar langere golflengten en kon daardoor de waterstof niet meer ioniseren. Integendeel, het zat gevangen door de zojuist gevormde waterstofatomen. Aan de andere kant waren er nog geen sterren of quasars gevormd die de enorme ruimte konden verlichten. Dit sombere tijdperk wordt daarom redelijkerwijs de 'donkere middeleeuwen' genoemd. Waarnemingen zijn nog niet in dit verre tijdperk doorgedrongen - onze kennis is nog rudimentair en is allemaal gebaseerd op theoretische berekeningen.
Een paar honderd miljoen jaar later, althans zo menen astronomen, hadden zich de allereerste enorme objecten gevormd uit de enorme gaswolken die samen waren bewogen. De eerste generatie sterren en, wat later, de eerste sterrenstelsels en quasars, produceerden intensieve ultraviolette straling. Die straling kon echter niet ver reizen, omdat deze onmiddellijk zou worden geabsorbeerd door de waterstofatomen die bij dit proces opnieuw werden geïoniseerd.
Het intergalactische gas werd dus opnieuw geïoniseerd in gestaag groeiende bollen rond de ioniserende bronnen. Op een gegeven moment waren deze bollen zo groot geworden dat ze elkaar volledig overlapten: de mist boven het heelal was opgetrokken!
Dit was het einde van de donkere middeleeuwen en wordt, met een term die opnieuw is overgenomen uit de menselijke geschiedenis, ook wel de 'kosmische renaissance' genoemd. Astronomen beschrijven het belangrijkste kenmerk van deze periode en noemen het ook het 'tijdperk van reionisatie'.
De verste melkwegstelsels vinden met de VLT
Om licht te werpen op de toestand van het heelal aan het einde van de donkere middeleeuwen, is het noodzakelijk om sterrenstelsels op grote afstand (dat wil zeggen met een hoge roodverschuiving [2]) te ontdekken en te bestuderen. Er kunnen verschillende observatiemethoden worden gebruikt - er zijn bijvoorbeeld verre sterrenstelsels gevonden door middel van smalbandige beeldvorming (bijvoorbeeld ESO PR 12/03), door gebruik te maken van beelden die door zwaartekracht zijn versterkt door massieve clusters, en ook serendipitously.
Matthew Lehnert van de MPE in Garching, Duitsland, en Malcolm Bremer van de Universiteit van Bristol, VK, gebruikten een speciale techniek die profiteert van de verandering van de waargenomen kleuren van een ver sterrenstelsel die wordt veroorzaakt door absorptie in het tussenliggende intergalactische medium. Sterrenstelsels bij roodverschuivingen van 4,8 tot 5,8 [2] kunnen worden gevonden door te zoeken naar sterrenstelsels die relatief helder lijken in rood optisch licht en die zwak of onopgemerkt zijn in groen licht. Dergelijke "breuken" in de lichtverdeling van individuele sterrenstelsels leveren sterk bewijs dat de melkweg zich met een hoge roodverschuiving zou kunnen bevinden en dat zijn licht begon op zijn lange reis naar ons, slechts ongeveer 1000 miljoen jaar na de oerknal.
Hiervoor gebruikten ze eerst het FORS2 multi-mode instrument op de 8,2 m VLT YEPUN telescoop om extreem "diepe" foto's te maken door drie optische filters (groen, rood en zeer rood) van een klein hemelgebied (40 vierkante arcmin of ongeveer 5 procent van de grootte van de volle maan). Deze afbeeldingen onthulden ongeveer 20 sterrenstelsels met grote breuken tussen de groene en rode filters, wat suggereert dat ze zich op een hoge roodverschuiving bevonden. Spectra van deze sterrenstelsels werden vervolgens verkregen met hetzelfde instrument om hun ware roodverschuivingen te meten.
"De sleutel tot het succes van deze waarnemingen was het gebruik van de geweldige nieuwe rood-verbeterde detector die beschikbaar is op FORS2", zegt Malcolm Bremer.
De spectra gaven aan dat zes sterrenstelsels zich bevinden op afstanden die overeenkomen met roodverschuivingen tussen 4,8 en 5,8; andere sterrenstelsels waren dichterbij. Verrassend genoeg, en tot grote vreugde van de astronomen, werd één emissielijn gezien in een ander zwak sterrenstelsel dat bij toeval werd waargenomen (het bevond zich toevallig in een van de FORS2-spleten) die mogelijk nog verder weg is gelegen, bij een roodverschuiving van 6.6. Als dit zou worden bevestigd door latere meer gedetailleerde waarnemingen, zou dat sterrenstelsel een kanshebber zijn voor de gouden medaille als de verste bekende!
De vroegst bekende sterrenstelsels
Uit de spectra bleek dat deze sterrenstelsels actief sterren vormen en waarschijnlijk niet ouder zijn dan 100 miljoen jaar, misschien zelfs jonger. Hun aantal en waargenomen helderheid suggereren echter dat lichtgevende sterrenstelsels bij deze roodverschuivingen minder en minder licht geven dan vergelijkbaar geselecteerde sterrenstelsels dichter bij ons.
"Onze bevindingen tonen aan dat het gecombineerde ultraviolette licht van de ontdekte sterrenstelsels onvoldoende is om het omringende gas volledig te ioniseren", legt Malcom Bremer uit. “Dit leidt ons tot de conclusie dat er veel meer kleinere en minder lichtgevende sterrenstelsels moeten zijn in het gebied van de ruimte dat we hebben bestudeerd, te zwak om op deze manier te worden gedetecteerd. Het moeten deze nog onzichtbare sterrenstelsels zijn die de meerderheid van de energetische fotonen uitzenden die nodig zijn om de waterstof in het heelal te ioniseren. '
"De volgende stap zal zijn om de VLT te gebruiken om meer en zwakkere sterrenstelsels te vinden bij nog hogere roodverschuivingen", voegt Matthew Lehnert toe. "Met een grotere steekproef van zulke verre objecten kunnen we dan inzicht krijgen in hun aard en de variatie in hun dichtheid in de lucht."
Een Britse première
De hier gepresenteerde waarnemingen behoren tot de eerste grote ontdekkingen van Britse wetenschappers sinds het VK in juli 2002 lid werd van ESO. Richard Wade van de Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC), die het Britse abonnement op ESO financiert, is zeer tevreden : “Door lid te worden van de European Southern Observatory hebben Britse astronomen toegang gekregen tot wereldleidende faciliteiten, zoals de VLT. Deze opwindende nieuwe resultaten, waarvan ik zeker ben dat er nog veel zullen volgen, illustreren hoe Britse astronomen bijdragen aan baanbrekende ontdekkingen. ”
Meer informatie
De resultaten die in dit persbericht worden beschreven, staan op het punt te verschijnen in het onderzoekstijdschrift Astrophysical Journal ("Luminous Lyman Break Galaxies at z> 5 and the Source of Reionization" door M. D. Lehnert en M. Bremer). Het is elektronisch verkrijgbaar als astro-ph / 0212431.
Opmerkingen
[1]: Dit is een gecoördineerd persbericht van ESO / PPARC. De PPARC-versie van de release is hier te vinden.
[2]: Dit werk werd uitgevoerd door Malcolm Bremer (Universiteit van Bristol, Verenigd Koninkrijk) en Matthew Lehnert (Max-Planck-Institut f? R Extraterrestrische Physik, Garching, Duitsland).
[3]: De gemeten roodverschuivingen van de sterrenstelsels in het Bremer Deep Field zijn z = 4,8-5,8, met één onverwachte (en verrassende) roodverschuiving van 6,6. In de astronomie geeft de roodverschuiving de fractie aan waarmee de lijnen in het spectrum van een object naar langere golflengten worden verschoven. De waargenomen roodverschuiving van een afgelegen sterrenstelsel geeft een schatting van de afstand. De in de huidige tekst aangegeven afstanden zijn gebaseerd op een leeftijd van het heelal van 13,7 miljard jaar. Bij de aangegeven roodverschuiving wordt de Lyman-alfa-lijn van atomaire waterstof (rustgolflengte 121,6 nm) waargenomen bij 680 tot 920 nm, d.w.z. in het rode spectrale gebied.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
