Persbericht

ALMA en VLT ontdekken een overschot aan zware sterren in nabije en verre starburststelsels

4 juni 2018

Astronomen hebben met behulp van ALMA en de VLT ontdekt dat zowel starburststelsels in het vroege heelal als een stervormingsgebied in een nabij sterrenstelsel naar verhouding veel meer zware sterren bevatten dan kalmere sterrenstelsels. Deze ontdekkingen trekken de bestaande ideeën over hoe sterrenstelsels zijn geëvolueerd in twijfel en veranderen ons begrip van de stervormingsgeschiedenis van het heelal en de vorming van chemische elementen.

Een team van wetenschappers, onder leiding van astronoom Zhi-Yu Zhang van de Universiteit van Edinburgh (VK), heeft de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om vier verre, stofrijke starburststelsels [1] te onderzoeken op de aantallen zware sterren die zij bevatten. Deze sterrenstelsels worden gezien op een moment dat het heelal veel jonger was dan nu. Het is dus onwaarschijnlijk dat ze al talrijke episoden van stervorming hebben meegemaakt, wat de interpretatie van de resultaten zou hinderen.

Zhang en zijn team hebben een nieuwe techniek ontwikkeld – vergelijkbaar met koolstofdatering (ook wel C14-datering genoemd) – om de relatieve hoeveelheden van verschillende soorten koolstofmonoxide in vier zeer verre, in stof gehulde starburststelsels [2] te meten. Daarbij hebben ze de onderlinge verhouding bepaald van twee soorten koolstofmonoxide die verschillende isotopen bevatten [3].

‘Koolstof- en zuurstofisotopen hebben niet dezelfde oorsprong,’ legt Zhang uit. ‘¹⁸O wordt meer in zware sterren geproduceerd en ¹³C meer in lichte en middelzware sterren.’ Dankzij de nieuwe techniek was het team in staat om door het stof in deze stelsels heen te kijken en voor het eerst de massa’s van hun sterren te schatten.

De massa is de belangrijkste factor die bepaalt hoe een ster zal evolueren. Zware sterren stralen fel en hebben een korte levensduur. Minder zware sterren, zoals onze zon, doen het wat rustiger aan en kunnen miljarden jaren blijven stralen. Door vast te stellen hoeveel sterren van verschillende massa’s er in sterrenstelsels worden gevormd, krijgen astronomen dus meer inzicht in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. En daaruit kan dan weer worden afgeleid welke chemische elementen er beschikbaar zijn voor de vorming van nieuwe sterren en planeten. Uiteindelijk levert dat weer kennis op over het aantal stellaire zwarte gaten dat kan samenklonteren tot de superzware zwarte gaten die we in de kernen van veel sterrenstelsels waarnemen.

Medeauteur Donatella Romano van het INAF-Astrophysics and Space Science Observatory in Bologna legt uit wat het team heeft ontdekt: ‘De verhouding tussen ¹⁸O en ¹³C was in deze starburststelsels in het vroege heelal ongeveer tien keer zo hoog als in sterrenstelsels zoals de Melkweg. Dat betekent dat deze starburststelsels naar verhouding veel meer zware sterren bevatten.’

Dit ALMA-resultaat wordt gesteund door een ontdekking in het nabije heelal. Een team onder leiding van Fabian Schneider van de Universiteit van Oxford (VK) heeft met ESO’s Very Large Telescope 800 sterren in het reusachtige stervormingsgebied 30 Doradus in de Grote Magelhaense Wolk spectroscopisch onderzocht, om de globale verdeling van de leeftijden en de beginmassa’s van deze sterren te onderzoeken [4].

Schneider legt uit wat dit heeft opgeleverd: ‘We hebben ongeveer 30 procent meer sterren met massa’s van meer dan 30 zonsmassa’s ontdekt dan verwacht, en ongeveer 70 procent meer sterren van meer dan 60 zonsmassa’s. Onze resultaten roepen twijfel op over de eerdere voorspelling dat sterren bij hun geboorte niet zwaarder kunnen zijn dan 150 zonsmassa’s. Ze suggereren zelfs dat sterren geboortemassa’s tot wel 300 zonsmassa’s kunnen hebben!’

Rob Ivison, medeauteur van het nieuwe ALMA-artikel concludeert: ‘Onze bevindingen roepen vragen op over ons begrip van de kosmische geschiedenis. Astronomen die modellen maken van het heelal moeten nu terug naar de tekentafel: er is meer verfijning nodig.’

Noten

[1] Starburststelsels zijn sterrenstelsels die een episode van zeer intense stervorming ondergaan. Het tempo waarin ze nieuwe sterren vormen, kan meer dan honderd keer zo groot zijn als in onze eigen sterrenstelsel, de Melkweg. De zware sterren in deze sterrenstelsels produceren ioniserende straling, stellaire uitstromingen en supernova-explosies, die de dynamische en chemische evolutie van het hen omringende medium sterk beïnvloeden. Het onderzoek van de massadistributie van sterren in deze sterrenstelsels kan ons niet alleen meer vertellen over hun eigen evolutie, maar ook over die van het heelal als geheel.

[2] De koolstofdateringsmethode wordt gebruikt voor het bepalen van de ouderdom van voorwerpen die organisch materiaal bevatten. Door de hoeveelheid ¹⁴C te meten – een radioactieve isotoop waarvan de hoeveelheid continu afneemt – kan men berekenen wanneer een dier of een plant is gestorven. De isotopen die bij het ALMA-onderzoek zijn gebruikt, ¹³C en ¹⁸O, ontstaan door kernfusiereacties in het inwendige van sterren en zijn stabiel. Hierdoor nemen hun hoeveelheden in de loop van het bestaan van een sterrenstelsel voortdurend toe.

[3] Deze verschillende vormen van het molecuul, zogeheten isotopologen, verschillen in het aantal neutronen dat ze kunnen bevatten. De koolstofmonoxidemoleculen die in dit onderzoek worden gebruikt zijn daar voorbeelden van, omdat een stabiele koolstofisotoop zowel twaalf als dertien kerndeeltjes in zijn kern kan hebben en een stabiele zuurstofisotoop zestien, zeventien of achttien.

[4] Schneider et al. deden hun spectroscopische waarnemingen van afzonderlijke sterren in 30 Doradus, een stervormingsgebied in de nabijgelegen Grote Magelhaense Wolk, met de Fiber Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) van de Very Large Telescope (VLT). Dit onderzoek was een van de eerste in zijn soort dat gedetailleerd genoeg was om te laten zien dat het heelal stervormingsregio’s kan produceren met massaspreidingen die afwijken van die in de Melkweg.

Meer informatie

De ALMA-resultaten worden gepubliceerd in een artikel getiteld “Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time” dat verschijnt in Nature op 4 juni 2018. De VLT-resultaten zijn gepubliceerd in een artikel getiteld “An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst”, dat is gepubliceerd in Science op 5 januari 2018.

Het ALMA-team bestaat uit: Z. Zhang (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, VK; European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland), D. Romano (INAF, Astrophysics and Space Science Observatory, Bologna, Italië), R.J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, VK), P.P. Papadopoulos (Department of Physics, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Griekenland; Research Center for Astronomy, Academy of Athens, Athene, Griekenland) en F. Matteucci (Trieste University; INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste; INFN, Sezione di Trieste, Triëst, Italië).

Het VLT-team bestaat uit: F.R.N. Schneider (Department of Physics, University of Oxford, VK), H. Sana (Instituut voor Sterrenkunde, KU Leuven), C.J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, VK), J.M. Bestenlehner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland; Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, VK), N. Castro (Department of Astronomy, University of Michigan, VS), L. Fossati (Austrian Academy of Sciences, Space Research Institute, Graz, Oostenrijk), G. Gräfener (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Duitsland), N. Langer (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Duitsland), O.H. Ramírez-Agudelo (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, VK), C. Sabín-Sanjulián (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chili), S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Spanje; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, Spanje), F. Tramper (European Space Astronomy Centre, Madrid, Spanje), P. A. Crowther (Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, VK), A. de Koter (Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde, Universiteit van Amsterdam; Instituut voor Sterrenkunde, KU Leuven), S.E. de Mink (Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde, Universiteit van Amsterdam), P.L. Dufton (Astrophysics Research Centre, School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Noord-Ierland, VK), M. Garcia (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spanje), M. Gieles (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, VK), V. Hénault-Brunet (National Research Council, Herzberg Astronomy and Astrophysics, Canada; Vakgroep Astrofysica/Onderzoekinstituut voor Wiskunde, Sterrenkunde en Deeltjes Fysica, Radboud Universiteit), A. Herrero (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chili), R.G. Izzard (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, VK; Institute of Astronomy, The Observatories, Cambridge, VK), V. Kalari (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chili), D.J. Lennon (European Space Astronomy Centre, Madrid, Spanje), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, European Space Astronomy Centre campus, Villanueva de la Cañada, Spanje), N. Markova (Institute of Astronomy with National Astronomical Observatory, Bulgarian Academy of Sciences, Smolyan, Bulgarije), F. Najarro (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spanje), Ph. Podsiadlowski (Department of Physics, University of Oxford, VK; Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Duitsland), J. Puls (Ludwig-Maximilians-Universität München, Duitsland), W.D. Taylor (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, VK), J. Th. van Loon (Lennard-Jones Laboratories, Keele University, Staffordshire, VK), J.S. Vink (Armagh Observatory, Noord-Ierland, VK) en C. Norman (Johns Hopkins University, Baltimore, VS; Space Telescope Science Institute, Baltimore, VS).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. 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) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel van Zhang et al.
• Onderzoeksartikel van Schneider et al.
• Foto’s van ALMA
• Foto’s van de VLT

Contact

Zhi-Yu Zhang
University of Edinburgh and ESO
Garching bei München, Germany
Tel: +49-89-3200-6910
E-mail: zzhang@eso.org

Fabian Schneider
Department of Physics — University of Oxford
Oxford, United Kingdom
Tel: +44-1865-283697
E-mail: fabian.schneider@physics.ox.ac.uk

Rob Ivison
ESO
Garching bei München, Germany
Tel: +49-89-3200-6669
E-mail: rob.ivison@eso.org

Mariya Lyubenova
ESO Outreach Astronomer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6188
E-mail: mlyubeno@eso.org

Marieke Baan (Perscontact Nederland)
ESO Science Outreach Network en NOVA Informatie Centrum
Tel: +31(0)20-5257480
E-mail: eson-netherlands@eso.org

Connect with ESO on social media