In hun zoektocht om te leren hoe ons universum is ontstaan, hebben wetenschappers heel diep de ruimte in gedoken (en dus heel ver terug in de tijd). Uiteindelijk is hun doel om te bepalen wanneer de eerste sterrenstelsels in ons heelal zijn gevormd en welk effect ze hadden op de kosmische evolutie. Recente pogingen om deze vroegste formaties te lokaliseren hebben geleid tot afstanden tot 13 miljard lichtjaar van de aarde - d.w.z. ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal.
Hieruit kunnen wetenschappers nu bestuderen hoe vroege sterrenstelsels de materie om hen heen beïnvloedden - in het bijzonder de reionisatie van neutrale atomen. Helaas zijn de meeste vroege sterrenstelsels erg zwak, wat het bestuderen van hun interieurs moeilijk maakt. Maar dankzij een recent onderzoek uitgevoerd door een internationaal team van astronomen, werd er een helderder, massiever sterrenstelsel waargenomen dat een duidelijk beeld kon geven van hoe vroege sterrenstelsels tot reionisatie leidden.
De studie die hun bevindingen beschrijft, getiteld "ISM-eigenschappen van een enorm stoffig stervormend sterrenstelsel ontdekt bij z ~ 7 “, is onlangs gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.Onder leiding van onderzoekers van het Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Duitsland, vertrouwde het team op gegevens van de South Pole Telescope (SPT) -SZ-enquête en ALMA om een melkwegstelsel te ontdekken dat 13 miljard jaar geleden bestond (slechts 800 miljoen jaar na de oerknal).
In overeenstemming met het Big Bang-model van de kosmologie verwijst reionisatie naar het proces dat plaatsvond na de periode die bekend staat als de 'donkere middeleeuwen'. Dit gebeurde tussen 380.000 en 150 miljoen jaar na de oerknal, waar de meeste fotonen in het heelal in wisselwerking stonden met elektronen en protonen. Als gevolg hiervan is de straling van deze periode niet waarneembaar door onze huidige instrumenten - vandaar de naam.
Vlak voor deze periode vond de 'Recombinatie' plaats, waar zich waterstof- en heliumatomen begonnen te vormen. Aanvankelijk geïoniseerd (zonder elektronen gebonden aan hun atoomkernen) vingen deze moleculen geleidelijk ionen op terwijl het heelal afkoelde en neutraal werd. In de periode die volgde - d.w.z. tussen 150 miljoen en 1 miljard jaar na de oerknal - begon de grootschalige structuur van het heelal zich te vormen.
Intrinsiek hierbij was het proces van reionisatie, waarbij de eerste sterren en quasars werden gevormd en hun straling het omringende heelal reioniseerde. Het is daarom duidelijk waarom astronomen dit tijdperk van het heelal willen onderzoeken. Door de eerste sterren en sterrenstelsels te observeren en welk effect ze op de kosmos hadden, zullen astronomen een duidelijker beeld krijgen van hoe deze vroege periode heeft geleid tot het heelal zoals we dat nu kennen.
Gelukkig voor het onderzoeksteam is bekend dat de massieve, stervormende sterrenstelsels van deze periode veel stof bevatten. Hoewel ze erg zwak zijn in de optische band, zenden deze sterrenstelsels sterke straling uit op submillimetergolflengten, waardoor ze detecteerbaar zijn met de geavanceerde telescopen van vandaag - waaronder de Zuidpooltelescoop (SPT), het Atacama Pathfinder Experiment (APEX) en Atacama Large Millimeter Array (ALMA) ).
Voor hun studie vertrouwden Strandet en Weiss op gegevens van de SPT om een reeks stoffige sterrenstelsels uit het vroege heelal te detecteren. Zoals Maria Strandet en Axel Weiss van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (en respectievelijk de hoofdauteur en coauteurs van de studie) via e-mail aan Space Magazine vertelden:
“We hebben licht gebruikt met een golflengte van ongeveer 1 mm, wat kan worden waargenomen door mm-telescopen zoals SPT, APEX of ALMA. Bij deze golflengte worden de fotonen geproduceerd door de thermische straling van stof. Het mooie van deze lange golflengte is dat voor een groot roodverschuivingsbereik (terugkijktijd) het dimmen van sterrenstelsels [veroorzaakt] door toenemende afstand wordt gecompenseerd door de roodverschuiving - dus de waargenomen intensiteit is onafhankelijk van de roodverschuiving. Dit komt omdat men voor hogere roodverschuivingsstelsels kijkt naar intrinsiek kortere golflengten (met (1 + z)) waar de straling sterker is voor een thermisch spectrum zoals het stofspectrum. ”
Dit werd gevolgd door gegevens van ALMA, die het team gebruikte om de afstand van de sterrenstelsels te bepalen door te kijken naar de roodverschoven golflengte van koolmonoxidemoleculen in hun interstellaire mediums (ISM). Uit alle gegevens die ze verzamelden, konden ze de eigenschappen van een van deze sterrenstelsels - SPT0311-58 - inperken door de spectraallijnen te observeren. Daarbij stelden ze vast dat dit sterrenstelsel slechts 760 miljoen jaar na de oerknal bestond.
"Aangezien de signaalsterkte op 1 mm onafhankelijk is van de roodverschuiving (terugkijktijd), hebben we geen a priori aanwijzing of een object relatief dichtbij is (in kosmologische zin) of aan het tijdperk van reionisatie," zeiden ze. “Daarom hebben we een groot onderzoek gedaan om de roodverschuivingen te bepalen via de emissie van moleculaire lijnen met ALMA. SPT0311-58 blijkt het hoogste roodverschuivingsobject dat in dit onderzoek is ontdekt en in feite het verste, stoffige stervormige sterrenstelsel dat tot nu toe is ontdekt. ”
Uit hun waarnemingen hebben ze ook vastgesteld dat de SPT0311-58 een massa heeft van ongeveer 330 miljard zonsmassa's, ongeveer 66 keer zoveel als het Melkwegstelsel (dat ongeveer 5 miljard zonsmassa's heeft). Ze schatten ook dat het nieuwe sterren vormt met een snelheid van enkele duizenden per jaar, wat het geval zou kunnen zijn voor naburige sterrenstelsels die dateren uit deze periode.
Dit zeldzame en verre object is een van de beste kandidaten tot nu toe om te bestuderen hoe het vroege heelal eruit zag en hoe het zich sindsdien heeft ontwikkeld. Dit zal op zijn beurt astronomen en kosmologen in staat stellen de theoretische basis voor de oerknaltheorie te testen. Zoals Strandet en Weiss Space Magazine vertelden over hun ontdekking:
“Deze objecten zijn belangrijk om de evolutie van sterrenstelsels als geheel te begrijpen, aangezien de grote hoeveelheden stof die al in deze bron aanwezig zijn, slechts 760 miljoen jaar na de oerknal, betekent dat het een extreem massief object is. Het enkele feit dat zulke enorme sterrenstelsels al bestonden toen het heelal nog zo jong was, legt sterke beperkingen op aan ons begrip van de massaopbouw van sterrenstelsels. Bovendien moet het stof in zeer korte tijd ontstaan, wat extra inzicht geeft in de stofproductie van de eerste stellaire populatie. ”
Het vermogen om dieper in de ruimte te kijken, en verder terug in de tijd, heeft de laatste tijd tot veel verrassende ontdekkingen geleid. En deze hebben op hun beurt enkele van onze veronderstellingen ter discussie gesteld over wat er in het universum is gebeurd en wanneer. En uiteindelijk helpen ze wetenschappers om een meer gedetailleerd en volledig verslag te maken van de kosmische evolutie. Op een dag zullen we misschien zelfs de vroegste momenten in het universum kunnen onderzoeken en de schepping in actie kunnen zien!
