In 2012 ging het Hubble Space Telescope Frontier Fields-programma (ook bekend als Hubble Deep Fields Initiative 2012) officieel van start. Het doel van dit project was om de zwakste en verste sterrenstelsels in het heelal te bestuderen met behulp van de gravitatielenstechniek, en zo onze kennis van vroege vorming van sterrenstelsels te vergroten. Tegen 2017 was het Frontier Field-programma afgerond en begon het harde werk van het analyseren van alle verzamelde gegevens.
Een van de interessantere vondsten binnen de Frontier Fields-gegevens is de ontdekking van sterrenstelsels met een lage massa en hoge stervormingssnelheden. Na onderzoek van de "parallelle velden" voor Abell 2744 en MACS J0416.1-2403 - twee clusters van sterrenstelsels die door het programma zijn bestudeerd - merkte een paar astronomen de aanwezigheid op van wat zij "kleine blauwe stippen" (LBD's) noemen, een bevinding wat gevolgen heeft voor de vorming van sterrenstelsels en bolhopen.
De studie die hun bevindingen gedetailleerd beschrijft, verscheen onlangs online onder de titel "Kleine blauwe stippen in de Hubble-ruimtetelescoop grensvelden: voorlopers van bolvormige sterrenhopen?". Het onderzoeksteam bestond uit Dr. Debra Meloy Elmegreen - een professor in de astronomie aan het Vassar College - en Dr. Bruce G. Elmegreen, een astronoom bij de IBM Research Division bij de T.J. Watson Research Center in Yorktown Heights.
Simpel gezegd: het Frontier Fields-programma gebruikte de Hubble-ruimtetelescoop om zes enorme melkwegclusters te observeren op optische en nabij-infrarode golflengten - met respectievelijk de Advanced Camera for Surveys (ACS) en Wide Field Camera 3 (WFC3). Deze massieve sterrenstelsels werden gebruikt om beelden van verre melkwegstelsels die zich achter hen bevonden te vergroten en uit te rekken, die anders te zwak waren voor Hubble om direct te zien (ook bekend als gravitatielens).
Terwijl een van deze Hubble-camera's naar een sterrenstelselcluster zou kijken, zou de andere tegelijkertijd een aangrenzend stukje lucht bekijken. Deze aangrenzende vlakken staan bekend als "parallelle velden", anders vage gebieden die enkele van de diepste blikken in het vroege heelal bieden. Dr. Bruce Elmegreen vertelde Space Magazine via e-mail:
“Het doel van het HFF-programma is om diepe beelden te maken van 6 gebieden van de hemel waar zich sterrenstelsels bevinden, omdat deze sterrenstelsels achtergrondstelsels vergroten door het zwaartekrachtlenseffect. Op deze manier kunnen we verder kijken dan alleen met directe weergave van de lucht alleen. Veel sterrenstelsels zijn onderzocht met deze vergrotingstechniek. De clusters van sterrenstelsels zijn belangrijk omdat het grote massaconcentraties zijn die sterke zwaartekrachtlenzen vormen. ”
Deze zes clusters van sterrenstelsels die in het belang van het project werden gebruikt, omvatten Abell 2744, MACS J0416.1-2403 en hun parallelle velden, waarvan de laatste het brandpunt waren in deze studie. Deze en de andere clusters werden gebruikt om sterrenstelsels te vinden die slechts 600 tot 900 miljoen jaar na de oerknal bestonden. Deze sterrenstelsels en hun respectievelijke parallellen waren al gecatalogiseerd met behulp van computeralgoritmen die automatisch sterrenstelsels in de afbeeldingen vonden en hun eigenschappen bepaalden.
Zoals het onderzoeksduo verder uitlegt in hun onderzoek, hebben recente grootschalige diepgaande onderzoeken studies mogelijk gemaakt van kleinere sterrenstelsels bij hogere roodverschuivingen. Dit zijn onder meer "groene erwten" - lichtgevende, compacte sterrenstelsels met lage massa en hoge specifieke stervormingssnelheden - en zelfs "lichte bosbessen" met een kleinere massa, kleine sterrenstelsels die een zwakke uitbreiding zijn van de groene erwten en die ook een sterke snelheid van stervorming vertonen .
Met behulp van de bovengenoemde catalogi en het onderzoeken van de parallelle velden voor Abell 2744 en MACS J0416.1-2403, ging het team op zoek naar andere voorbeelden van sterrenstelsels met een lage massa en hoge stervormingssnelheden. Het doel hiervan was om de eigenschappen van deze dwergstelsels te meten en om te zien of een van hun posities overeenkomt met de bolvormige sterrenhopen.
Wat ze ontdekten, was wat ze "Little Blue Dots" (LBS's) noemden, wat zelfs kleinere versies zijn van "bosbessen". Debra Elmegreen vertelde Space Magazine via e-mail:
"Toen ik de beelden aan het onderzoeken was (er zijn ongeveer 3400 sterrenstelsels gedetecteerd in elk veld), merkte ik af en toe sterrenstelsels op die als kleine blauwe stippen verschenen, wat erg intrigerend was vanwege Bruce's eerdere theoretische werk over dwergstelsels. De gepubliceerde catalogi bevatten roodverschuivingen en stervormingssnelheden en massa's voor elk sterrenstelsel, en het blijkt dat de kleine blauwe stippen lage-massa-sterrenstelsels zijn met zeer hoge stervormingssnelheden voor hun massa. ”
Deze sterrenstelsels vertoonden geen structuur, dus stapelden Debra en Bruce de afbeeldingen van sterrenstelsels in 3 verschillende reeksen roodverschuiving (die elk ongeveer 20 sterrenstelsels bedroegen) om diepere afbeeldingen te creëren. "Ze vertoonden nog steeds geen structuur of een zwakke verlengde buitenste schijf", zei Debra, "dus ze staan op het punt van resolutie, met gemiddelde afmetingen van 100-200 parsecs (ongeveer 300-600 lichtjaar) en massa's van een paar miljoen keer de massa van onze zon. "
Uiteindelijk stelden ze vast dat binnen deze LBD's de stervormingspercentages erg hoog waren. Ze merkten ook op dat deze dwergstelsels erg jong waren en minder dan 1% van de leeftijd van het heelal waren op het moment dat ze werden waargenomen. "Dus de kleine melkwegstelsels die zojuist zijn gevormd," zei Bruce, "en hun stervormingssnelheden zijn hoog genoeg om de bolhopen te verklaren, misschien één in elke LBD, wanneer de ster erin barst na een paar tientallen miljoenen jaren. "
Debra en Bruce Elmegreen zijn geen vreemden voor sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving. In 2012 publiceerde Bruce een paper waarin werd gesuggereerd dat de bolvormige sterrenhopen die om de Melkweg cirkelen (en de meeste andere sterrenstelsels) zich vormden in dwergstelsels tijdens het vroege heelal. Deze dwergstelsels zouden sindsdien zijn verworven door grotere sterrenstelsels zoals die van ons, en de clusters zijn in wezen hun overblijfselen.
Bolvormige sterrenhopen zijn in wezen enorme sterrenhopen die rond de Melkweg draaien. Ze zijn typisch ongeveer 1 miljoen zonsmassa's en bestaan uit zeer oude sterren - ergens in de orde van grootte van 10 tot 13 miljard jaar. Voorbij de Melkweg verschijnen velen in gewone banen en in de Andromeda-melkweg, sommige lijken zelfs verbonden door een stroom van sterren.
Zoals Bruce uitlegde, is dit een overtuigend argument voor de theorie dat bolvormige sterrenhopen gevormd zijn uit dwergstelsels in het vroege heelal:
'Dit suggereert dat de metaalarme bolhopen de dichte overblijfselen zijn van kleine sterrenstelsels die door grotere sterrenstelsels, zoals de Melkweg, zijn gevangen en door getijdenkrachten zijn uiteengereten. Dit idee voor de oorsprong van halo bolvormige sterrenhopen gaat enkele decennia terug ... Het zou alleen de metaalarme zijn die ongeveer de helft van het totaal is, omdat dwergstelsels metaalarm zijn vergeleken met grote sterrenstelsels, en ze waren ook meer metaalarm in het vroege universum. '
Deze studie heeft veel implicaties voor ons begrip van hoe het heelal evolueerde, wat het hoofddoel was van het Hubble Frontier Fields-programma. Door objecten in het vroege heelal te onderzoeken en hun eigenschappen te bepalen, kunnen wetenschappers bepalen hoe de structuren waarmee we tegenwoordig bekend zijn - dat wil zeggen sterren, sterrenstelsels, sterrenhopen, enz. - echt vandaan kwamen.
Deze zelfde onderzoeken stellen wetenschappers ook in staat om weloverwogen gissingen te maken over waar het universum naartoe gaat en wat er over miljoenen of zelfs miljarden jaren van diezelfde structuren zal gebeuren. Kortom, als we weten waar we zijn geweest, kunnen we voorspellen waar we naartoe gaan!
