Persbericht

Optrekkende kosmische mist

Het verste sterrenstelsel dat ooit gemeten is

20 oktober 2010

Een Europees team van astronomen heeft met behulp van ESO’s Very Large Telescope (VLT) de afstand tot het verst bekende sterrenstelsel gemeten. Uit analyse van de zeer zwakke lichtgloed van het stelsel blijkt dat we dit object zien op een moment dat het heelal nog maar ongeveer 600 miljoen jaar oud was. Daarmee zijn dit de eerste bevestigde waarnemingen van een sterrenstelsel waarvan het licht de ondoorzichtige waterstofmist die het heelal destijds vulde oplost. De resultaten verschijnen op 21 oktober in het tijdschrift Nature.

‘Met behulp van ESO’s Very Large Telescope hebben we bevestigd dat een sterrenstelsel dat eerder met de Hubble-ruimtetelescoop is opgespoord het verste object is dat we tot nog toe in het heelal hebben waargenomen [1]’, zegt Matt Lehnert (Observatoire de Paris) die hoofdauteur is van het artikel waarin de resultaten zijn opgenomen. ‘De kracht van de VLT en zijn SINFONI-spectrograaf stelt ons in staat om daadwerkelijk de afstand tot dit zeer zwakke sterrenstelsel te meten, en daaruit blijkt dat we het stelsel zien zoals het was toen het heelal minder dan 600 miljoen jaar oud was.’

Het onderzoek van zulke vroege sterrenstelsels is uiterst moeilijk. Tegen de tijd dat hun aanvankelijk heldere licht de aarde bereikt, lijken zij zeer zwak en klein. Bovendien valt dit licht grotendeels in het infrarode deel van het spectrum, omdat de golflengte ervan is uitgerekt door de uitdijing van het heelal – een effect dat roodverschuiving wordt genoemd. Nog erger is dat in die vroege periode, minder dan een miljard jaar na de oerknal, het heelal nog niet volledig doorzichtig was: het was voor een belangrijk deel gevuld met een mist van waterstofgas die de intense ultraviolette straling van jonge sterrenstelsels absorbeerde. De periode waarin deze mist nog door deze uv-straling moest worden opgelost, staat bekend als het tijdperk van de reïonisatie [2].

Ondanks deze belemmeringen ontdekte de nieuwe Wide Field Camera 3 van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA in 2009 enkele veelbelovende objecten [3] waarvan het vermoeden bestond dat het sterrenstelsels in het reïonisatietijdperk betrof. Het vaststellen van de afstanden van zulke zwakke, verre objecten vormt een enorme uitdaging en is alleen mogelijk door – met behulp van spectroscopie met zeer grote telescopen op aarde [4] – de roodverschuiving van het licht van de stelsels te meten.

Volgens Matt Lehnert was het kantje boord: ‘Na de bekendmaking van de Hubble-kandidaten deden we een snelle berekening, waaruit bleek dat de combinatie van het enorme lichtverzamelend vermogen van de VLT, de gevoeligheid van de infraroodspectrometer SINFONI en een zeer lange belichtingstijd wellicht net voldoende zou zijn om de extreem zwakke gloed van een van deze verre sterrenstelsels te detecteren en zijn afstand te meten.’

Na een speciaal verzoek aan de algemeen directeur van ESO kreeg het team waarneemtijd op de VLT om het kandidaatstelsel UDFy-38135539 [5] zestien uur lang te observeren. Na twee maanden van zeer nauwkeurige analyse en verificatie van de resultaten, kon ondubbelzinnig worden geconcludeerd dat een zwakke gloed van waterstof bij een roodverschuiving van 8,6 was gedetecteerd. Daarmee is dit sterrenstelsel het verste object ooit waarvan de afstand door middel van spectroscopie is vastgesteld. Een roodverschuiving van 8,6 plaatst het sterrenstelsel zoals we dit waarnemen slechts 600 miljoen jaar na de oerknal.

Medeauteur Nicole Nesvadba (Institut d’Astrophysique Spatiale) voegt daaraan toe: ‘Het meten van de roodverschuiving van het verste sterrenstelsel tot nu toe is heel opwindend, maar de astrofysische implicaties van deze detectie zijn nog belangrijker. Het is voor het eerst dat we er zeker van zijn dat we naar een van de stelsels kijken die de mist opruimden die het zeer vroege heelal vulde.’

Een van de verrassende aspecten van deze ontdekking is dat de gloed van UDFy-38135539 eigenlijk niet sterk genoeg lijkt om de waterstofmist in zijn omgeving op te lossen. ‘Er moeten in de buurt van UDFy-38135539 andere – waarschijnlijk zwakkere en lichtere – sterrenstelsels zijn die geholpen hebben om de ruimte rond het sterrenstelsel transparant te maken. Anders zou het licht van het stelsel, hoe helder ook, zijn verzand in de omringende waterstofmist en zouden we het niet hebben kunnen detecteren’, legt medeauteur Mark Swinbank (University of Durham) uit.

Medeauteur Jean-Gabriel Cuby (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille) merkt op: ‘Het onderzoek van het reïonisatietijdperk en het ontstaan van sterrenstelsels vergt het uiterste van de huidige telescopen en instrumenten. Maar dit is precies het soort wetenschap dat straks routinematig met de European Extreme Large Telescope – die de grootste optische en nabij-infrarode telescoop ter wereld zal zijn – kan worden gedaan.

Noten

[1] In een eerder ESO-bericht (eso0405) was sprake van een object op nog grotere afstand (een roodverschuiving van 10). Maar verdere pogingen om een object van vergelijkbare helderheid op deze positie te vinden hebben niets opgeleverd, en recentere waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop laten ruimte voor twijfel. De interpretatie dat het een sterrenstelsel op zeer grote roodverschuiving betreft, is inmiddels door de meeste astronomen verworpen.

[2] Toen het heelal na de oerknal (ongeveer 13,7 miljard jaar geleden) afkoelde, begonnen elektronen en protonen zich samen te voegen tot waterstofatomen. Het koele, donkere gas dat daardoor ontstond was tijdens het zogeheten donkere tijdperk het belangrijkste bestanddeel van het heelal, dat nog geen lichtgevende objecten kende. Aan dit tijdperk kwam uiteindelijk een einde toen de eerste sterren ontstonden en hun intense ultraviolette straling het heelal geleidelijk transparant maakte door de atomen van de waterstofmist weer in elektronen en protonen te splitsen – een proces dat reïonisatie wordt genoemd. Dit tijdperk in de vroege geschiedenis van het heelal duurde van ongeveer 150 miljoen tot 800 miljoen jaar na de oerknal. Het leren begrijpen van de reïonisatie en de vorming van de eerste sterrenstelsels is een van de belangrijkste vraagstukken in de moderne kosmologie.

[3] Deze Hubble-waarnemingen staan beschreven op: http://www.spacetelescope.org/news/heic1001/

[4] Astronomen beschikken over twee belangrijke hulpmiddelen om de afstanden tot de eerste sterrenstelsels te meten. Ze kunnen zeer lang belichte opnamen door verschillende kleurfilters maken en de helderheid van vele objecten op verschillende golflengten meten. Deze kunnen zij vervolgens vergelijken met wat er verwacht wordt van de verschillende soorten sterrenstelsels op verschillende momenten in de geschiedenis van het heelal. Dit is momenteel de enige manier om deze zeer zwakke sterrenstelsels op te sporen en tevens ook de techniek die het Hubble-team heeft gebruikt. Maar deze methode is niet altijd betrouwbaar. Wat op het eerste gezicht een zwak, zeer ver sterrenstelsel lijkt, blijkt soms bijvoorbeeld een gewone koele ster in ons eigen melkwegstelsel te zijn.

Een betrouwbaardere schatting van de afstand (gemeten als de roodverschuiving) van een kandidaatobject kan worden verkregen door het licht ervan in zijn samenstellende kleuren uiteen te rafelen en naar de ‘vingerafdrukken’ van elementen als waterstof te zoeken. Deze spectroscopische aanpak is de enige manier waarop astronomen een afstand betrouwbaar en nauwkeurig kunnen meten.

[5] Deze vreemde naam geeft aan dat het object is gevonden in het zoekgebied dat het Ultra Deep Field wordt genoemd. Het nummer komt overeen met zijn positie aan de hemel.

Meer informatie

Dit onderzoek is gepubliceerd in het artikel ‘Spectroscopic confirmation of a galaxy at redshift z=8.6’, door Lehnert et al., dat op 21 oktober 2010 in Nature verschijnt.

Het onderzoeksteam bestaat uit M.D. Lehnert (Observatoire de Paris – Laboratoire GEPI/CNRS-INSU/Université Paris Diderot, Frankrijk), N.P.H. Nesvadba (Institut d’Astrophysique Spatiale/CNRS-INSU/Université Paris-Sud, Frankrijk), J.-G. Cuby (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille /CNRS-INSU/Université de Provence, Frankrijk), A.M. Swinbank (University of Durham, VK), S. Morris (University of Durham, VK), B. Clément (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille/CNRS-INSU/Université de Provence, Frankrijk), C.J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Edinburgh, VK), M.N. Bremer (University of Bristol, VK) en S. Basa (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille/CNRS-INSU/Université de Provence, Frankrijk).

ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, is de belangrijkste intergouvernementele sterrenkundeorganisatie in Europa, en het meest productieve astronomische observatorium ter wereld. ESO wordt ondersteund door 14 landen: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerp, de bouw en het beheer van krachtige grondobservatoria die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. ESO speelt ook een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op sterrenkundig gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staat ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld. Ook is ESO de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA. Daarnaast is ESO momenteel bezig met ontwerpstudies voor de 42-meter Europese Extremely Large optische/nabij-infrarood Telescoop (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel: Nature paper
• Meer informatie over reïonisatie (Engelstalig): http://en.wikipedia.org/wiki/Reionization
• Computersimulaties van reïonisatie door Marcelo Alvarez: http://www.cita.utoronto.ca/~malvarez/index.shtml

Contact

Matthew Lehnert
Observatoire de Paris
France
Tel: +33 1 45 07 76 11
E-mail: matthew.lehnert@obspm.fr

Nicole Nesvadba
Institut d'Astrophysique Spatiale
Tel: +33 1 69 15 36 54
Mob: +33 6 28 28 14 26
E-mail: nicole.nesvadba@ias.u-psud.fr

Mark Swinbank
Durham University
United Kingdom
Tel: +44 191 334 3786
Mob: +44 7920 727 126
E-mail: a.m.swinbank@durham.ac.uk

Douglas Pierce-Price
ESO Public Information Officer
Garching, Germany
Tel: +49 89 3200 6759
E-mail: dpiercep@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media

Dit is een vertaling van ESO-persbericht eso1041.