Sterrenstelsels lang, lang geleden waren erg vruchtbaar; ze baarden sterren met een snelheid van minstens tien keer wat we vandaag zien.
Waarom? Waren er toen meer dingen om sterren te maken? Of waren sterrenstelsels destijds efficiënter in het maken van sterren? Of iets anders??
Dr. Linda Tacconi, van het Duitse Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, leidde een internationaal team van astronomen om uit te zoeken waarom ... en het antwoord lijkt te zijn dat jonge sterrenstelsels met gas in de kieuwen werden gestopt.
"Het is ons voor het eerst gelukt om het koude moleculaire gas in normale stervormende sterrenstelsels, die representatief zijn voor de typische massieve melkwegpopulaties kort na de oerknal, te detecteren en in beeld te brengen", aldus Dr. Tacconi.
De uitdagende waarnemingen geven de eerste glimp van hoe sterrenstelsels, of beter gezegd het koude gas in deze sterrenstelsels, er slechts 3 tot 5 miljard jaar na de oerknal uitzagen (equivalent aan een kosmologische roodverschuiving z ~ 2 tot z ~ 1). Op deze leeftijd lijken sterrenstelsels min of meer continu sterren te hebben gevormd met minstens tien keer de snelheid die wordt waargenomen in vergelijkbare massasystemen in het lokale universum.
Het is nu redelijk goed ingeburgerd dat sterrenstelsels zijn gevormd uit proto-sterrenstelsels, die zelf zijn gevormd in lokale overdichtheden, gedomineerd door koude donkere materie - halo's voor donkere materie - waar de nieuw neutrale waterstof en helium zich verzamelden en koelden. Door botsingen en fusies, en enige aanhoudende gasaanwas, vormden de proto-sterrenstelsels jonge sterrenstelsels, een paar miljard jaar na de oerknal - kortom, hiërarchische vorming.
Gedetailleerde waarnemingen van het koude gas en de distributie en dynamiek ervan spelen een sleutelrol bij het ontwarren van de complexe mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van de eerste proto-sterrenstelsels in moderne sterrenstelsels, zoals de Melkweg. Een grootschalige studie van verre, lichtgevende stervormende sterrenstelsels op de Plateau de Bure millimeter interferometer heeft nu geresulteerd in een doorbraak door de stervorming "voedsel" rechtstreeks te bekijken. De studie profiteerde van belangrijke recente vorderingen in de gevoeligheid van de radiometers bij het observatorium om het eerste systematische onderzoek te doen naar de eigenschappen van koud gas (getraceerd door een rotatielijn van het koolmonoxidemolecuul) van normale massieve sterrenstelsels toen het heelal 40% was ( z = 1,2) en 24% (z = 2,3) van zijn huidige leeftijd. Eerdere waarnemingen waren grotendeels beperkt tot zeldzame, zeer lichtgevende objecten, waaronder fusies van sterrenstelsels en quasars. De nieuwe studie traceert in plaats daarvan massieve stervormende sterrenstelsels die representatief zijn voor de 'normale', gemiddelde melkwegpopulatie in deze massa en roodverschuivingsreeks.
"Toen we ongeveer een jaar geleden met het programma begonnen", zegt Dr. Tacconi, "konden we er niet zeker van zijn dat we zelfs maar iets zouden detecteren. Maar de waarnemingen waren succesvol buiten onze meest optimistische hoop. We hebben kunnen aantonen dat massieve normale sterrenstelsels op z ~ 1.2 en z ~ 2.3 vijf tot tien keer meer gas bevatten dan wat we in het lokale heelal zien. Gezien het feit dat deze sterrenstelsels gedurende lange perioden met hoge snelheid gas vormden, betekent dit dat gas continu moet zijn aangevuld door aangroei vanuit de halo's voor donkere materie, in uitstekende overeenstemming met recent theoretisch werk. ”
Een ander belangrijk resultaat van deze waarnemingen zijn de eerste ruimtelijk opgeloste beelden van de distributie van koud gas en bewegingen in verschillende sterrenstelsels. "Deze enquête heeft de deur geopend voor een geheel nieuwe manier om de evolutie van sterrenstelsels te bestuderen", zegt Pierre Cox, de directeur van IRAM. "Dit is echt spannend en er komt nog veel meer."
"Deze fascinerende bevindingen bieden ons belangrijke aanwijzingen en beperkingen voor theoretische modellen van de volgende generatie die we zullen gebruiken om de vroege fasen van de ontwikkeling van sterrenstelsels in meer detail te bestuderen", zegt Andreas Burkert, specialist voor stervorming en de evolutie van sterrenstelsels bij Excellence in Duitsland Cluster Universe. "Uiteindelijk zullen deze resultaten helpen om de oorsprong en de ontwikkeling van onze Melkweg te begrijpen."
Over het EGS 1305123-beeld: Ruimtelijk opgeloste optische en millimeterbeelden van een typisch massief sterrenstelsel bij roodverschuiving z = 1,1 (5,5 miljard jaar na de oerknal). De linkerfoto is gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop in de V- en I-optische banden, als onderdeel van het AEGIS-onderzoek naar verre sterrenstelsels. De rechter afbeelding is een overlay van de CO 3-2-emissie waargenomen met de PdBI (rode / gele kleuren) bovenop de I-afbeelding (grijs). Voor het eerst laten deze waarnemingen duidelijk zien dat de emissie van de moleculaire lijn en het optische licht van massieve sterren een massieve, roterende schijf met een diameter van ~ 60.000 lichtjaar volgen. Deze schijf is qua grootte en structuur vergelijkbaar met die van z ~ 0-schijfstelsels, zoals de Melkweg. De massa koud gas in deze schijf is echter ongeveer een orde van grootte groter dan in typische z ~ 0-schijfstelsels. Dit verklaart waarom hoge-z-sterrenstelsels zich continu kunnen vormen met ongeveer tien keer de snelheid van typische z ~ 0-sterrenstelsels.
Bronnen: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Tacconi et al. (2010), Nature 463, 781 (voordruk: arXiv: 1002.2149)
