Uit een persbericht van Caltech:
Water is echt overal. Kijkend vanaf een afstand van 30 miljard biljoen mijl ver in een quasar - een van de helderste en meest gewelddadige objecten in de kosmos - hebben de onderzoekers een massa waterdamp gevonden die minstens 140 biljoen keer zo groot is als al het water in de oceanen van de wereld gecombineerd en 100.000 keer zwaarder dan de zon.
Omdat de quasar zo ver weg is, heeft het 12 miljard jaar geduurd om de aarde te bereiken. De waarnemingen onthullen daarom een tijd waarin het universum slechts 1,6 miljard jaar oud was. "De omgeving van deze quasar is uniek omdat hij deze enorme massa water produceert", zegt Matt Bradford, een wetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) en een bezoekende medewerker bij Caltech. "Het is een andere demonstratie dat water overal in het universum doordringt, zelfs in de allereerste tijden." Bradford leidt een van de twee internationale teams van astronomen die hun quasar-bevindingen hebben beschreven in afzonderlijke artikelen die zijn geaccepteerd voor publicatie in de Astrophysical Journal Letters.
Lees hier het artikel van Bradford & team.
Een quasar wordt aangedreven door een enorm zwart gat dat constant een omringende schijf van gas en stof verbruikt; terwijl het eet, spuwt de quasar enorme hoeveelheden energie uit. Beide groepen astronomen bestudeerden een bepaalde quasar genaamd APM 08279 + 5255, die een zwart gat heeft dat 20 miljard keer zo zwaar is als de zon en evenveel energie produceert als duizend biljoen zonnen.
Aangezien astronomen verwachtten dat waterdamp zelfs in het vroege heelal aanwezig zou zijn, is de ontdekking van water op zich geen verrassing, zegt Bradford. Er is waterdamp in de Melkweg, hoewel de totale hoeveelheid 4.000 keer minder groot is dan in de quasar, omdat het meeste water van de Melkweg bevroren is in de vorm van ijs.
Desalniettemin is waterdamp een belangrijk spoorgas dat de aard van de quasar onthult. In deze specifieke quasar wordt de waterdamp verspreid over het zwarte gat in een gasvormig gebied dat honderden lichtjaren beslaat (een lichtjaar is ongeveer zes biljoen mijl) en de aanwezigheid ervan geeft aan dat het gas ongebruikelijk warm en dicht is door astronomische normen. Hoewel het gas kouder is - 53 graden Celsius (–63 graden Fahrenheit) en 300 biljoen keer minder dicht is dan de atmosfeer van de aarde, is het nog steeds vijf keer heter en 10 tot 100 keer dichter dan wat typisch is in sterrenstelsels zoals de Melkweg.
De waterdamp is slechts een van de vele soorten gas die de quasar omringen en de aanwezigheid ervan geeft aan dat de quasar het gas zowel in röntgenstraling als in infraroodstraling baadt. De interactie tussen de straling en waterdamp onthult eigenschappen van het gas en hoe de quasar het beïnvloedt. Analyse van de waterdamp laat bijvoorbeeld zien hoe de straling de rest van het gas verwarmt. Bovendien suggereren metingen van de waterdamp en van andere moleculen, zoals koolmonoxide, dat er voldoende gas is om het zwarte gat te voeden totdat het ongeveer zes keer zo groot wordt. Of dit zal gebeuren, is niet duidelijk, zeggen de astronomen, omdat een deel van het gas uiteindelijk in sterren kan condenseren of uit de quasar kan worden uitgestoten.
Het team van Bradford heeft vanaf 2008 hun waarnemingen gedaan met behulp van een instrument genaamd Z-Spec in het Caltech Submillimeter Observatory (CSO), een 10-meter telescoop nabij de top van Mauna Kea op Hawaï. Z-Spec is een extreem gevoelige spectrograaf, die temperaturen vereist die zijn afgekoeld tot binnen 0,06 graden Celsius boven het absolute nulpunt. Het instrument meet licht in een gebied van het elektromagnetische spectrum dat de millimeterband wordt genoemd en die tussen infrarood- en microgolfgolflengten ligt. De ontdekking van water door de onderzoekers was alleen mogelijk omdat de spectrale dekking van Z-Spec 10 keer groter is dan die van eerdere spectrometers die op deze golflengten werkten. De astronomen maakten vervolgwaarnemingen met de Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), een reeks radiogerechten in het Inyo-gebergte in Zuid-Californië.
Deze ontdekking benadrukt de voordelen van waarneming in de millimeter- en submillimeter-golflengten, zeggen de astronomen. Het veld heeft zich de afgelopen twee tot drie decennia snel ontwikkeld en om het volledige potentieel van deze onderzoekslijn te bereiken, ontwerpen de astronomen - inclusief de auteurs van de studie - nu CCAT, een 25-meter telescoop die in de Atacama-woestijn wordt gebouwd in Chili. Met CCAT kunnen astronomen enkele van de vroegste sterrenstelsels in het heelal ontdekken. Door de aanwezigheid van water en andere belangrijke sporengassen te meten, kunnen astronomen de samenstelling van deze oerstelsels bestuderen.
De tweede groep, geleid door Dariusz Lis, senior onderzoeker natuurkunde bij Caltech en adjunct-directeur van de CSO, gebruikte de Plateau de Bure-interferometer in de Franse Alpen om water te vinden. In 2010 was het team van Lis op zoek naar sporen van waterstoffluoride in het spectrum van APM 08279 + 5255, maar detecteerde serendipitively een signaal in het spectrum van de quasar dat de aanwezigheid van water aangaf. Het signaal had een frequentie die overeenkomt met straling die wordt uitgezonden wanneer water van een hogere energietoestand overgaat naar een lagere. Terwijl het team van Lis slechts één signaal op één frequentie vond, stelde de brede bandbreedte van Z-Spec Bradford en zijn collega's in staat wateremissie op veel frequenties te ontdekken. Door deze meerdere waterovergangen kon het Bradford-team de fysieke kenmerken van het gas van de quasar en de watermassa bepalen.
