De krachtige Subaru-telescoop in Hawai'i heeft het verste melkwegstelsel ooit gevonden, op 12,88 miljard lichtjaar afstand - dit is slechts 780 miljoen jaar na de oerknal. Het observeren van objecten op deze afstand is buitengewoon moeilijk, niet alleen vanwege de grote afstanden, maar ook omdat een groot deel van het heelal verborgen was achter neutrale waterstof. Pas toen begonnen sterren deze neutrale waterstof op te ruimen, waardoor het heelal transparant werd.
Astronomen die de Subaru-telescoop in Hawai'i gebruiken, hebben 60 miljoen jaar verder terug in de tijd gekeken dan welke andere astronomen dan ook, om het verste bekende sterrenstelsel in het universum te vinden. Hiermee handhaven ze Subaru's record voor het vinden van de verste en vroegste sterrenstelsels die we kennen. Hun meest recente ontdekking is van een sterrenstelsel genaamd I0K-1 dat zo ver weg ligt dat astronomen het zien zoals het er 12,88 miljard jaar geleden uitzag.
Deze ontdekking, gebaseerd op waarnemingen van Masanori Iye van het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), Kazuaki Ota van de University of Tokyo, Nobunari Kashikawa van NAOJ en anderen, geeft aan dat sterrenstelsels slechts 780 miljoen jaar na het ontstaan van het universum bestonden. ongeveer 13,66 miljard jaar geleden als hete soep van elementaire deeltjes.
Om het licht van dit sterrenstelsel te detecteren, gebruikten de astronomen de Suprime-Cam-camera van de Subaru-telescoop, uitgerust met een speciaal filter om te zoeken naar kandidaat-verre sterrenstelsels. Ze vonden 41.533 objecten en daarvan identificeerden twee kandidaat-sterrenstelsels voor verder onderzoek met de Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) op Subaru. Ze ontdekten dat IOK-1, de helderste van de twee, een roodverschuiving van 6.964 heeft, wat de afstand van 12,88 miljard lichtjaar bevestigt.
De ontdekking daagt astronomen uit om precies te bepalen wat er tussen 780 en 840 miljoen jaar na de oerknal gebeurde. IOK-1 is een van de slechts twee sterrenstelsels in de nieuwe studie die tot dit verre tijdperk zou kunnen behoren. Gezien het aantal sterrenstelsels dat is ontdekt vanaf 840 miljoen jaar na de oerknal, had het onderzoeksteam verwacht op deze afstand maar liefst zes sterrenstelsels te vinden. De relatieve zeldzaamheid van objecten zoals IOK-1 betekent dat het universum moet zijn veranderd gedurende de 60 miljoen jaar die de twee tijdperken van elkaar scheiden.
De meest opwindende interpretatie van wat er is gebeurd, is dat we een gebeurtenis zien die bij astronomen bekend staat als de reionisatie van het universum. In dit geval, 780 miljoen jaar na de oerknal, had het universum nog steeds genoeg neutrale waterstof om ons zicht op jonge sterrenstelsels te blokkeren door het licht van hun hete jonge sterren te absorberen. Zestig miljoen jaar later waren er genoeg hete jonge sterren om de resterende neutrale waterstof te ioniseren, waardoor het universum transparant werd en we hun sterren konden zien.
Een andere interpretatie van de resultaten zegt dat er 780 miljoen jaar na de oerknal minder grote en heldere jonge sterrenstelsels waren dan 60 miljoen jaar later. In dit geval zou het grootste deel van de reïonisatie eerder dan 12,88 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden.
Het maakt niet uit welke interpretatie uiteindelijk de overhand heeft, de ontdekking geeft aan dat astronomen nu licht aan het opgraven zijn uit de "donkere middeleeuwen" van het universum. Dit is het tijdperk waarin de eerste generaties van sterren en sterrenstelsels ontstonden, en een tijdperk dat astronomen tot nu toe niet hebben kunnen waarnemen.
ACHTERGROND INFORMATIE:
Archeologie van het vroege heelal met behulp van speciale filters
Pasgeboren sterrenstelsels bevatten sterren met een breed scala aan massa's. Zwaardere sterren hebben hogere temperaturen en zenden ultraviolette straling uit die nabijgelegen gas verwarmt en ioniseert. Terwijl het gas afkoelt, straalt het overtollige energie uit, zodat het naar een neutrale toestand kan terugkeren. In dit proces zal waterstof altijd licht uitstralen bij 121,6 nanometer, de Lyman-alfa-lijn genoemd. Elk sterrenstelsel met veel hete sterren zou helder moeten schijnen op deze golflengte. Als sterren zich allemaal tegelijk vormen, kunnen de helderste sterren gedurende 10 tot 100 miljoen jaar Lyman-alfa-emissie produceren.
Om sterrenstelsels zoals IOK-1 te bestuderen die in het vroege heelal in het heelal bestaan, moeten astronomen Lyman-alfa-licht opzoeken dat wordt uitgerekt en naar rode golflengten wordt verschoven naarmate het heelal uitdijt. Bij golflengten langer dan 700 nanometer hebben astronomen echter te maken met voorgrondemissies van OH-moleculen in de eigen atmosfeer van de aarde, die interfereren met zwakke emissies van verre objecten.
Om het zwakke licht van verre sterrenstelsels te detecteren, observeerde het onderzoeksteam op golflengten waar de atmosfeer van de aarde niet veel gloeit, door ramen van 711, 816 en 921 nanometer. Deze vensters komen overeen met de roodverschoven Lyman-alfa-emissie van sterrenstelsels met roodverschuivingen van respectievelijk 4,8, 5,7 en 6,6. Deze cijfers geven aan hoeveel kleiner het universum was vergeleken met nu, en komen overeen met 1,26 miljard jaar, 1,01 miljard jaar en 840 miljoen jaar na de oerknal. Dit is alsof je archeologie van het vroege heelal doet met bepaalde filters waarmee wetenschappers in verschillende lagen van een opgraving kunnen kijken.
Om hun spectaculaire nieuwe resultaten te verkrijgen, moest het team een voor licht gevoelig filter ontwikkelen met een golflengte van slechts ongeveer 973 nanometer, wat overeenkomt met de alfa-emissie van Lyman bij een roodverschuiving van 7,0. Deze golflengte ligt aan de limiet van moderne CCD's, die hun gevoeligheid verliezen bij golflengten langer dan 1000 nanometer. Dit unieke filter, de NB973 genaamd, maakt gebruik van meerlagige coatingtechnologie en heeft meer dan twee jaar nodig gehad om te ontwikkelen. Het filter moest niet alleen licht doorlaten met een golflengte van slechts ongeveer 973 nanometer, maar het moest ook uniform het hele gezichtsveld van de primaire focus van de telescoop dekken. Het team werkte samen met een bedrijf, Asahi Spectra Co.Ltd, om een prototypefilter te ontwerpen voor gebruik met Subaru's Faint Object Camera, en paste die ervaring vervolgens toe om het filter voor Suprime-Cam te maken.
De observaties
De waarnemingen met het NB973-filter vonden plaats in het voorjaar van 2005. Na meer dan 15 uur blootstellingstijd bereikten de verkregen gegevens een grenswaarde van 24,9. Er waren 41.533 objecten in deze afbeelding, maar een vergelijking met afbeeldingen gemaakt op andere golflengten toonde aan dat slechts twee van de objecten alleen helder waren in de NB973-afbeelding. Het team concludeerde dat alleen die twee objecten sterrenstelsels konden zijn met een roodverschuiving van 7,0. De volgende stap was het bevestigen van de identiteit van de twee objecten, IOK-1 en IOK-2, en het team observeerde ze met de Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) op de Subaru-telescoop. Na 8,5 uur blootstelling was het team in staat om een spectrum van een emissielijn te verkrijgen van de helderste van de twee objecten, IOK-1. Het spectrum ervan vertoonde een asymmetrisch profiel dat kenmerkend is voor Lyman-alfa-emissie vanuit een ver sterrenstelsel. De emissielijn was gecentreerd op een golflengte van 968,2 nanometer (roodverschuiving 6,964), wat overeenkomt met een afstand van 12,88 miljard lichtjaar en een tijd van 780 miljoen jaar na de oerknal.
De identiteit van de tweede kandidaat-melkweg
Drie uur observatietijd leverde geen sluitende resultaten op om de aard van IOK-2 te bepalen. Het onderzoeksteam heeft inmiddels meer gegevens verzameld die nu worden geanalyseerd. Het is mogelijk dat IOK-2 een ander ver sterrenstelsel is, of een object met variabele helderheid. Bijvoorbeeld een sterrenstelsel met een supernova of een zwart gat dat actief materiaal inslikt dat toevallig helder leek tijdens de waarnemingen met het NB973-filter. (Waarnemingen in de andere filters zijn één tot twee jaar eerder gedaan.)
Het Subaru Deep Field
De Subaru-telescoop is bij uitstek geschikt voor het zoeken naar de verste sterrenstelsels. Van alle telescopen van 8 tot 10 meter ter wereld is het de enige die de mogelijkheid heeft om een camera met een primair brandpunt te monteren. Het scherpstelpunt bovenaan de telescoopbuis heeft het voordeel van een breed gezichtsveld. Als gevolg hiervan domineert Subaru momenteel de lijst van de verste bekende sterrenstelsels. Veel van deze bevinden zich in een gebied van de hemel in de richting van het sterrenbeeld Coma Berenices, het Subaru Deep Field genoemd, dat het onderzoeksteam heeft geselecteerd voor intensief onderzoek op vele golflengten.
De vroege geschiedenis van het heelal en de vorming van de eerste sterrenstelsels
Om deze Subaru-prestatie in context te plaatsen, is het belangrijk om te herzien wat we weten over de geschiedenis van het vroege universum. Het universum begon met de oerknal, die ongeveer 13,66 miljard jaar geleden plaatsvond in een vurige chaos van extreme temperatuur en druk. Binnen de eerste drie minuten breidde het jonge universum zich snel uit en koelde het af, waarbij het de kernen van lichte elementen zoals waterstof en helium produceerde, maar heel weinig kernen van zwaardere elementen. In 380.000 jaar was het afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 3.000 graden. Op dat moment konden elektronen en protonen combineren om neutraal waterstof te vormen.
Nu elektronen nu aan atoomkernen zijn gebonden, kan licht door de ruimte reizen zonder door elektronen te worden verstrooid. We kunnen het licht waarnemen dat destijds het universum doordrong. Vanwege tijd en afstand is het echter uitgerekt met een factor 1000, waardoor het heelal is gevuld met straling die we detecteren als microgolven (de kosmische microgolfachtergrond genoemd). Het Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ruimtevaartuig bestudeerde deze straling en de gegevens ervan stelden astronomen in staat om de leeftijd van het heelal te berekenen op ongeveer 13,66 miljard jaar. Bovendien impliceren deze gegevens het bestaan van zaken als donkere materie en de nog meer raadselachtige donkere energie.
Astronomen denken dat het heelal gedurende de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal bleef afkoelen en dat de eerste generatie sterren en sterrenstelsels zich vormde in de dichtste gebieden van materie en donkere materie. Deze periode staat bekend als de 'donkere middeleeuwen' van het universum. Er zijn nog geen directe waarnemingen van deze gebeurtenissen, dus gebruiken astronomen computersimulaties om theoretische voorspellingen en bestaand observationeel bewijs samen te voegen om de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels te begrijpen.
Zodra heldere sterren zijn geboren, kan hun ultraviolette straling nabijgelegen waterstofatomen ioniseren door ze terug te splitsen in afzonderlijke elektronen en protonen. Op een gegeven moment waren er genoeg heldere sterren om bijna al het neutrale waterstof in het universum te ioniseren. Dit proces wordt de reionisatie van het universum genoemd. Het tijdperk van reionisatie betekent het einde van de donkere middeleeuwen van het universum. Tegenwoordig is het grootste deel van de waterstof in de ruimte tussen sterrenstelsels geïoniseerd.
Het tijdperk van reionisatie lokaliseren
Astronomen schatten dat reionisatie ergens tussen 290 en 910 miljoen jaar na de geboorte van het universum plaatsvond. Het aanwijzen van het begin en het einde van het tijdperk van reionisatie is een van de belangrijke opstapjes om te begrijpen hoe het universum evolueert, en is een gebied van intensieve studie in de kosmologie en astrofysica.
Het lijkt erop dat sterrenstelsels steeds zeldzamer worden naarmate we verder terug in de tijd kijken. Het aantal sterrenstelsels met een roodverschuiving van 7,0 (wat overeenkomt met een tijd ongeveer 780 miljoen jaar na de oerknal) lijkt kleiner dan wat astronomen zien bij een roodverschuiving van 6,6 (wat overeenkomt met een tijd ongeveer 840 miljoen jaar na de oerknal) . Aangezien het aantal bekende sterrenstelsels bij een roodverschuiving van 7,0 nog steeds klein is (slechts één!), Is het moeilijk om robuuste statistische vergelijkingen te maken. Het is echter mogelijk dat de afname van het aantal sterrenstelsels bij hogere roodverschuiving het gevolg is van de aanwezigheid van neutraal waterstof dat de Lyman-alfa-emissie absorbeert van sterrenstelsels bij hogere roodverschuiving. Als verder onderzoek kan bevestigen dat de getalsdichtheid van vergelijkbare sterrenstelsels afneemt tussen een roodverschuiving van 6,6 en 7,0, zou dit kunnen betekenen dat IOK-1 bestond tijdens het tijdperk van de reïonisatie van het universum.
Deze resultaten zullen worden gepubliceerd in de editie van Nature van 14 september 2006.
Oorspronkelijke bron: Subaru News Release
