Persbericht

ALMA verkent het Hubble Ultra Deep Field

Diepste millimetercampagne ooit van het vroege heelal

22 september 2016

Diverse internationale teams van astronomen hebben, met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), de verre uithoek van het heelal verkend die voor het eerst te zien was op de iconische opnamen van het Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Deze nieuwe ALMA-waarnemingen gaan aanzienlijk dieper en zijn beduidend scherper dan eerdere surveys op millimetergolflengten. Ze laten duidelijk zien dat er een sterk verband bestaat tussen het stervormingstempo in jonge sterrenstelsels en hun totale massa aan sterren. Ze tonen ook de hoeveelheden sterren-vormend gas op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis. Dat levert nieuwe inzichten op over het ‘gouden tijdperk’ van de vorming van sterrenstelsels, ongeveer tien miljard jaar geleden.

De nieuwe ALMA-resultaten zullen worden gepubliceerd in een reeks artikelen die in de Astrophysical Journal en de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zullen verschijnen. De resultaten worden ook gepresenteerd tijdens de Half a Decade of ALMA-conferentie die deze week in Palm Springs (Californië, VS) wordt gehouden.

In 2004 werden de Hubble Ultra Deep Field-opnamen gepubliceerd – baanbrekende diepe waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. Deze spectaculaire foto’s reikten tot verder in het heelal dan ooit tevoren en toonden een menagerie van sterrenstelsels die terugging tot minder dan een miljard jaar na de oerknal. Het gebied werd verscheidene keren waargenomen met Hubble en vele andere telescopen, wat heeft geresulteerd in de diepste blik in het heelal tot nu toe.

Met behulp van ALMA hebben astronomen dit ogenschijnlijk saaie, maar goed onderzochte venster op het verre heelal voor het eerst zowel diep als scherp op millimetergolflengten verkend [1]. Hierdoor konden zij voor het eerst de zwakke gloed van gaswolken en de emissie van warm stof in sterrenstelsels in het vroege heelal zien.

Tot nu toe heeft ALMA het HUDF alles bij elkaar ongeveer vijftig uur waargenomen. Nog nooit eerder heeft deze internationale astronomische faciliteit zo lang naar één stukje hemel gekeken.

Een team onder leiding van Jim Dunlop (University of Edinburgh, VK) heeft de eerste diepe, homogene ALMA-opname van het HUDF gemaakt. Dat maakte het mogelijk om de stelsels die zij detecteerden één op één te vergelijken met objecten die al met Hubble en andere astronomische faciliteiten waren waargenomen.

Dit onderzoek heeft voor duidelijk laten zien dat de stellaire massa van een sterrenstelsel de beste voorspeller van het stervormingstempo in het verre heelal is. Alle zware stelsels die ze detecteerden waren van zwaar [2].

Jim Dunlop, hoofdauteur van het bijbehorende onderzoeksartikel vat het belang ervan als volgt samen: ‘Dit resultaat is een doorbraak. Voor het eerst brengen we het zichtbare en ultraviolette Hubble-beeld van het heelal op de juiste manier samen met het ver-infrarode/millimeter-beeld van ALMA.’

Het tweede team, onder leiding van Manuel Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) en Fabian Walter (Max-Planck-Institut für Astronomy, Heidelberg, Duitsland), hebben ongeveer een zesde van het complete HUDF [3] aan een nog diepere blik onderworpen.

‘We hebben de eerste volledig blinde, driedimensionale zoektocht naar koel gas in het vroege heelal gehouden,’ zegt teamlid Chris Carilli, die astronoom is bij het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Socorro (New Mexico, VS). ‘Op die manier hebben we een populatie van sterrenstelsels ontdekt die bij andere diepe hemelsurveys niet duidelijk is opgevallen.’ [4]

Sommige van de nieuwe ALMA-waarnemingen waren toegespitst op de detectie van sterrenstelsels die rijk zijn aan koolstofmonoxide, wat kenmerkend is voor gebieden die op het punt staan om sterren te gaan vormen. Hoewel deze moleculaire gasvoorraden tot stervormingsactiviteit leiden, zijn ze met Hubble vaak heel moeilijk te zien. ALMA kan dit ontbrekende element in het evolutieproces van sterrenstelsels zichtbaar maken.

‘De nieuwe ALMA-resultaten bevestigen dat sterrenstelsels snel meer gas bevatten naarmate we verder terugkijken in de tijd,’ voegt hoofdauteur van twee van de onderzoeksartikelen, Manuel Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), daaraan toe. ‘Deze toenemende gasinhoud ligt waarschijnlijk ten grondslag aan de opmerkelijk toename van het stervormingstempo rond de tijd dat de vorming van sterrenstelsels ongeveer 10 miljard jaar geleden haar hoogtepunt bereikte.’

De vandaag gepresenteerde resultaten zijn nog maar een voorbode van een reeks toekomstige ALMA-waarnemingen van het vroege heelal. Zo staat er een 150 uur durende waarnemingscampagne van het HUDF op het programma die nog meer inzicht moet geven in het stervormingspotentieel van het vroege heelal.

‘Door onze kennis van dit ontbrekende sterren-vormende materiaal te vergroten, zal het aanstaande ALMA Large Program ons beeld van de sterrenstelsels in het iconische Hubble Ultra Deep Field vervolmaken,’ besluit Fabian Walter.

Noten

[1] Astronomen hebben dit gebied in het zwakke zuidelijke sterrenbeeld Fornax (Oven) specifiek geselecteerd zodat telescopen op het zuidelijk halfrond, waaronder ALMA, het aan een nader onderzoek konden onderwerpen om onze kennis van het zeer verre heelal te vergroten. De verkenning van het diepe, maar optisch onzichtbare heelal was een van de wetenschappelijke hoofddoelen van ALMA.

[2] In deze context komt ‘zwaar’ overeen met minstens 2 × 10¹⁰ (= 20 miljard) zonsmassa’s aan sterren. Ter vergelijking: een groot sterrenstelsel zoals onze Melkweg heeft een massa van ongeveer 100 miljard zonsmassa’s.

[3] Dit hemelgebiedje is ongeveer zevenhonderd keer zo klein als het oppervlak van de schijf van de volle maan, zoals gezien vanaf de aarde. Een van de meest verrassende aspecten van het HUDF was het grote aantal sterrenstelsels dat in zo’n klein stukje hemel is aangetroffen.

[4] ALMA’s vermogen om een compleet ander deel van het electromagnetische spectrum te zien dan Hubble maakt het mogelijk om heel andere astronomische objecten, zoals grote stervormingswolken, te onderzoeken en objecten die op zichtbare golflengten onwaarneembaar zwak zijn. De term ‘blind’ geeft aan dat de zoektocht niet op een specifiek object was gericht. De nieuwe ALMA-waarnemingen van het HUDF bestaan uit twee verschillende soorten data die elkaar aanvullen: continuümwaarnemingen, die stofemissie en stervorming aan het licht brengen, en een spectrale survey, die gericht is op het koude moleculaire gas dat als grondstof dient voor de vorming van nieuwe sterren. Deze tweede survey van groot belang, omdat deze informatie oplevert over de mate waarin het licht van verre objecten naar het rode uiteinde van het spectrum is opgeschoven ten gevolge van de uitdijing van het heelal. Hoe groter de roodverschuiving van een object, des te verder is het van ons verwijderd, en des te verder kijken we terug in de tijd. Op die manier kunnen astronomen een driedimensionale kaart maken van de evolutie van sterren-vormend gas in de loop van de kosmische geschiedenis.

Eerdere zoektochten om de verspreiding van koel gas in het vroege heelal in kaart te brengen zijn gedaan met het Plateau de Bure observatory in de Franse Alpen en met de Karl G. Jansky Very Large Array in de Verenigde Staten.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in de volgende wetenschappelijke publicaties:

1      ‘A deep ALMA image of the Hubble Ultra Deep Field’, van J. Dunlop et al., dat verschijnt in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

2      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Search for the [CII] Line and Dust Emission in 6 < z < 8 Galaxies’, van M. Aravena et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

3      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular Gas Reservoirs in High-Redshift Galaxies’, van R. Decarli et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

4      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: CO Luminosity Functions and the Evolution of the Cosmic Density of Molecular Gas’, van R. Decarli et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

5      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Continuum Number Counts, Resolved 1.2-mm Extragalactic Background, and Properties of the Faintest Dusty Star Forming Galaxies’, van M. Aravena et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

6      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Survey Description’, van F. Walter et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

7      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: the Infrared excess of UV-selected z= 2-10 Galaxies as a Function of UV-continuum Slope and Stellar Mass’, van R. Bouwens et al., dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

8      ‘The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Implication for spectral line intensity mapping at millimeter wavelengths and CMB spectral distortions’, van C.L. Carilli et al. dat verschijnt in de Astrophysical Journal.

De onderzoeksteams bestaan uit:

M. Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), R. Decarli (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland), F. Walter (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland; Astronomy Department, California Institute of Technology, VS; NRAO, Pete V. Domenici Array Science Center, VS), R. Bouwens (Sterrewacht Leiden; UCO/Lick Observatory, Santa Cruz, VS), P.A. Oesch (Astronomy Department, Yale University, New Haven, VS), C.L. Carilli (Sterrewacht Leiden; Astrophysics Group, Cavendish Laboratory, Cambridge, VK), F.E. Bauer (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili; Millennium Institute of Astrophysics, Chili; Space Science Institute, Boulder, VS), E. Da Cunha (Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University, Canberra, Australië; Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australië), E. Daddi (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Université Paris Diderot, Orme des Merisiers, Frankrijk), J. Gónzalez-López (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili), R.J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, VK), D.A. Riechers (Cornell University, 220 Space Sciences Building, Ithaca, VS), I. Smail (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, VK), A.M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, VK), A. Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Duitsland), T. Anguita (Departamento de Ciencias Físicas, Universidad Andrés Bello, Santiago, Chili; Millennium Institute of Astrophysics, Chili), R. Bacon (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, Frankrijk), E. Bell (Department of Astronomy, University of Michigan, VS), F. Bertoldi (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Duitsland), P. Cortes (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chili; NRAO, Pete V. Domenici Array Science Center, VS), P. Cox (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chili), J. Hodge (Sterrewacht Leiden), E. Ibar (Instituto de Física y Astronomía, Universidad de Valparaíso, Valparaiso, Chili), H. Inami (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, Frankrijk), L. Infante (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili), A. Karim (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Duitsland), B. Magnelli (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Duitsland), K. Ota (Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, VK; Cavendish Laboratory, University of Cambridge, VK), G. Popping (European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland), P. van der Werf (Sterrewacht Leiden), J. Wagg (SKA Organization, Cheshire, VK), Y. Fudamoto (European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland; Universität-Sternwarte München, München, Duitsland), D. Elbaz (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Universite Paris Diderot, Frankrijk), S. Chapman (Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada), L.Colina (ASTRO-UAM, UAM, Unidad Asociada CSIC, Spanje), H.W. Rix (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland), Mark Sargent (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, VK), Arjen van der Wel (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland)

K. Sheth (NASA Headquarters, Washington DC, VS), Roberto Neri (IRAM, Saint-Martin d’Hères, Frankrijk), O. Le Fèvre (Aix Marseille Université, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, Frankrijk), M. Dickinson (Steward Observatory, University of Arizona, VS), R. Assef (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), I. Labbé (Leidse Sterrewacht), S. Wilkins (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, VK), J.S. Dunlop (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), R.J. McLure (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), A.D. Biggs (ESO, Garching, Duitsland), J.E. Geach (University of Hertfordshire, Hatfield, VK), M.J. Michałowski (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), W. Rujopakarn (Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand), E. van Kampen (ESO, Garching, Duitsland), A. Kirkpatrick (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, VS), A. Pope (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, VS), D. Scott (University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada), T.A. Targett (Sonoma State University, Rohnert Park, California, VS), I. Aretxaga (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexico), J.E. Austermann (NIST Quantum Devices Group, Boulder, Colorado, VS), P.N. Best (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), V.A. Bruce (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), E.L. Chapin (Herzberg Astronomy and Astrophysics, National Research Council Canada, Victoria, Canada), S. Charlot (Sorbonne Universités, UPMC-CNRS, UMR7095, Institut d’Astrophysique de Paris, Paris, Frankrijk), M. Cirasuolo (ESO, Garching, Duitsland), K.E.K. Coppin (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, VK), R.S. Ellis (ESO, Garching, Duitsland), S.L. Finkelstein (The University of Texas at Austin, Austin, Texas, VS), C.C. Hayward (California Institute of Technology, Pasadena, California, VS), D.H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexico), S. Khochfar (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), M.P. Koprowski (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, VK), D. Narayanan (Haverford College, Haverford, Pennsylvania, VS), C. Papovich (Texas A & M University, College Station, Texas, VS), J.A. Peacock (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, VK), B. Robertson (University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, California, VS), T. Vernstrom (Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada), G.W. Wilson (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, VS) en M. Yun (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, VS).

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de National Science Foundation (NSF) van de VS, de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, met steun van de republiek Chili.  ALMA wordt gefinancierd door ESO, namens haar lidstaten, door NSF, in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en door NINS, in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO, namen haar lidstaten; door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), namens Noord-Amerika, en door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), namens Oost-Azië. De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

•  Onderzoeksartikel 1 (Dunlop, J. S. et al.)
•  Onderzoeksartikel 2 (Aravena, M. et al.)
•  Onderzoeksartikel 3 (Decarli, R. et al.)
•  Onderzoeksartikel 4 (Decarli, R. et al.)
•  Onderzoeksartikel 5 (Aravena, M. et al.)
•  Onderzoeksartikel 6 (Walter, F. et al.)
•  Onderzoeksartikel 7 (Bouwens, R. et al.)
•  Onderzoeksartikel 8 (Carilli, C. L. et al.)
•  Foto’s van ALMA

Contact

James Dunlop
University of Edinburgh
Edinburgh, United Kingdom
E-mail: jsd@roe.ac.uk

Fabian Walter
Max-Planck Institut für Astronomie
Heidelberg, Germany
E-mail: walter@mpia.de

Manuel Aravena
Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Universidad Diego Portales
Santiago, Chile
E-mail: manuel.aravenaa@mail.udp.cl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mob: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@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