Enorme sterrenstelsels in het vroege heelal vormden sterren met een veel snellere clip dan tegenwoordig - wat het equivalent van duizend nieuwe zonnen per jaar creëert. Deze snelheid bereikte zijn hoogtepunt 3 miljard jaar na de oerknal en tegen 6 miljard jaar hadden sterrenstelsels de meeste van hun sterren gecreëerd.
Nieuwe waarnemingen van de Hubble-ruimtetelescoop laten zien dat zelfs dwergstelsels - de kleine, lage massaclusters van enkele miljarden sterren - in hoog tempo sterren produceerden en een grotere rol speelden dan verwacht in de vroege geschiedenis van het heelal.
Tegenwoordig hebben we de neiging om dwergstelsels te zien die zich vastklampen aan grotere sterrenstelsels, of soms worden verzwolgen, in plaats van dat ze alleen bestaan als gloeiende verzamelingen van sterren. Maar astronomen vermoedden dat dwergen in het vroege heelal snel sterren konden omdraaien. Het probleem is dat de meeste beelden niet scherp genoeg zijn om de zwakke, verre sterrenstelsels te onthullen die we moeten observeren.
"We vermoedden al dat dwergsterrenstelsels zouden bijdragen aan de vroege golf van stervorming, maar dit is de eerste keer dat we het effect dat ze daadwerkelijk hebben kunnen meten", zegt hoofdauteur Hakim Atek van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in een persbericht. "Ze lijken een verrassend belangrijke rol te hebben gespeeld tijdens het tijdperk waarin het heelal de meeste sterren vormde."
Eerdere studies van starburst-sterrenstelsels in het vroege heelal waren gericht op massieve sterrenstelsels, waardoor het enorme aantal dwergstelsels in dit tijdperk werd weggelaten. Maar dankzij de zeer gevoelige mogelijkheden van Hubble's Wide Field Camera 3 kunnen astronomen nu kijken naar dwergstelsels met een lage massa in het verre heelal.
Atek en collega's keken naar 1000 sterrenstelsels van ongeveer drie miljard jaar tot 10 miljard jaar na de oerknal. Ze groeven door hun gegevens, op zoek naar de H-alfa-lijn: een dieprode zichtbare spectraallijn, die optreedt wanneer een waterstofelektron van zijn derde naar het op een na laagste energieniveau daalt.
In stervormingsgebieden wordt het omringende gas continu geïoniseerd door straling van de nieuw gevormde sterren. Zodra het gas is geïoniseerd, kunnen de kern en het verwijderde elektron opnieuw combineren om een nieuw waterstofatoom te vormen met het elektron, typisch in een hogere energietoestand. Dit elektron stroomt dan terug naar de grondtoestand, een proces dat ongeveer de helft van de tijd H-alfa-emissie produceert.
De H-alfa-lijn is dus een effectieve sonde voor stervorming en de helderheid van de H-alfa-lijn (die veel gemakkelijker te detecteren is dan het zwakke, bijna onzichtbare continuüm) is een effectieve sonde voor de stervormingssnelheid. Van deze enkele regel ontdekten Attek en collega's dat de snelheid waarmee sterren aanzetten in vroege dwergen verrassend hoog is.
"Deze sterrenstelsels vormen zo snel sterren dat ze in slechts 150 miljoen jaar hun totale massa aan sterren zouden kunnen verdubbelen - dit soort winst in stellaire massa zou de meeste normale sterrenstelsels 1-3 miljard jaar kosten", zegt co-auteur Jean-Paul Kneib, ook van EPFL.
Het team weet nog niet waarom deze kleine sterrenstelsels zo'n groot aantal sterren produceren. Over het algemeen wordt aangenomen dat uitbarstingen van stervorming volgen op enigszins chaotische gebeurtenissen zoals galactische fusies of de schok van een supernova. Maar door deze dwergstelsels verder te bestuderen, hopen astronomen licht te werpen op de galactische evolutie en een consistent beeld te schetsen van gebeurtenissen in het vroege heelal.
De paper is vandaag gepubliceerd in het Astrophysical Journal en kan hier worden bekeken. De nieuwste Hubblecast (hieronder) behandelt dit opwindende resultaat ook.
