Stromen van koud gas voeden vroege, massieve sterrenstelsels

Om te kunnen ontstaan, hebben sterrenstelsels koud gas nodig om ineenstorting door de zwaartekracht te ondergaan. Hoe groter het sterrenstelsel, hoe meer koud gas het nodig heeft om samen te smelten en te groeien. Enorme sterrenstelsels die in het vroege universum werden gevonden, hadden enorm veel aan koude moleculaire gassen nodig, liefst 100 miljard keer de massa van onze zon.  Maar hoe kregen deze vroege, supergrote sterrenstelsels zoveel koud gas als ze werden ingesloten door een warmere omgeving?

In een nieuwe studie rapporteren astronomen onder leiding van de Universiteit van Iowa direct, observationeel bewijs van stromen koud gas die volgens hen deze vroege, massieve sterrenstelsels hebben bevoorraad. Ze ontdekten koude gaspijpleidingen die door de hete atmosfeer in de halo van donkere materie van een vroeg massief melkwegstelsel sneden en de materialen voor het sterrenstelsel leverden om sterren te vormen. 

Bij de foto: Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Iowa hebben kosmische pijpleidingen ontdekt die de koude gassen leveren die nodig zijn voor de vorming van zware sterrenstelsels en het creëren van sterren. Het is het eerste directe observationele bewijs van het fenomeen in het vroege universum. Foto: Hai Fu, University of Iowa.

Ongeveer twee decennia geleden theoretiseerden natuurkundigen die met simulaties werkten dat kosmische filamenten tijdens het vroege heelal koud gas en embryonale, knoopvormige sterrenstelsels naar een halo van donkere materie brachten, waar het allemaal samenklonterde om enorme sterrenstelsels te vormen. De theorie ging ervan uit dat de filamenten smal en dicht gevuld zouden moeten zijn met koud gas om te voorkomen dat ze worden afgepeld door de heter omringende atmosfeer.

Maar de theorie ontbrak direct bewijs. In deze studie bestudeerden wetenschappers een gasvormig gebied rond een enorm sterrenstelsel dat werd gevormd toen het universum ongeveer 2,5 miljard jaar oud was, of slechts 20% van zijn huidige leeftijd. De melkweg was voorheen niet bestudeerd en het kostte het team vijf jaar om de exacte locatie en afstand te bepalen via de roodverschuiving (*). Het team had een speciaal uitgerust observatorium nodig, de Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (**), omdat de omgeving van het doelstelsel zo stoffig is dat het alleen te zien is in het submillimeterbereik van het elektromagnetische spectrum.

"Het is het prototype, het eerste geval waarin we een stroom op halo-schaal hebben gedetecteerd die een zeer massief sterrenstelsel voedt", zegt Hai Fu, universitair hoofddocent bij de afdeling Fysica en Astronomie van Iowa en de hoofd- en corresponderende auteur van het onderzoek. "Op basis van onze waarnemingen kunnen dergelijke stromen het reservoir in ongeveer een miljard jaar vullen, wat veel korter is dan de hoeveelheid tijd die beschikbaar was voor de melkweg in het tijdperk dat we observeerden."

Cruciaal is dat de onderzoekers twee achtergrondquasars hebben gevonden die op korte hoekafstanden van het doelstelsel worden geprojecteerd, net zoals de beweging van Jupiter en Saturnus hen dichter bij elkaar bracht wanneer ze vanaf de aarde werden bekeken tijdens de Grote Conjunctie afgelopen december. Vanwege deze unieke configuratie liet het licht van de quasars dat door het halogas van het voorgrondstelsel drong, chemische 'vingerafdrukken' achter die het bestaan ​​van een smalle stroom koud gas bevestigden.

Die chemische vingerafdrukken toonden aan dat het gas in de stromen een lage concentratie zware elementen had, zoals aluminium, koolstof, ijzer en magnesium. Omdat deze elementen worden gevormd wanneer de ster nog steeds schijnt en worden vrijgegeven aan het omringende medium wanneer de ster sterft, hebben de onderzoekers vastgesteld dat de koude gasstromen van buitenaf moeten binnenstromen in plaats van te worden verdreven uit het sterrenstelsel zelf.

“Van de 70.000 sterrenstelsels in onze survey is dit de enige die in verband wordt gebracht met twee quasars die beide dichtbij genoeg zijn om het halogas te onderzoeken. Sterker nog, beide quasars worden aan dezelfde kant van de melkweg geprojecteerd, zodat hun licht kan worden geblokkeerd door dezelfde stroom op twee verschillende hoekafstanden." Aldus Hai Fu. "Dus ik voel me buitengewoon gelukkig dat de natuur ons deze kans heeft geboden om deze belangrijke slagader te detecteren die leidt naar het hart van een fenomenaal sterrenstelsel tijdens zijn adolescentie."

De studie werd online gepubliceerd in het Astrophysical Journal.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: University of Iowa

 
(*) Roodverschuiving in de astronomie en de natuurkunde is het verschijnsel dat het spectrum van uitgezonden licht of andere elektromagnetische straling bij ontvangst naar "rood" verschoven is, dat wil zeggen in de richting van de langere golflengten (lagere frequenties).

Het tegengestelde effect, waarbij een verschuiving naar de kortere golflengten - naar "blauw" - plaatsvindt, heet blauwverschuiving.

Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Roodverschuiving

(**) De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili is het grootste astronomische project ter wereld. Het is een revolutionaire astronomische interferometer, met een totaal van 66 radioschotels variërend van 7 tot 12 meter in diameter. Deze schotels nemen waar op millimeter- en submillimeter-golflengtes. De telescoop ligt op het Chajnantor-plateau op meer dan 5000 meter boven zeeniveau, in de Atacamawoestijn van Noord-Chili. ALMA begon de eerste wetenschappelijke waarnemingen in de tweede helft van 2011. Op 13 maart 2013 werd het officieel geopend.

ALMA is ontworpen om unieke inzichten te geven in de stervorming in de vroegste stadia van het universum en om nabije stervormingsgebieden en planeetvormende sterren met zeer hoge resolutie in kaart te brengen. Met een schatting van totale kosten rond de 1,2 miljard euro is ALMA het meest ambitieuze astronomische project tot nu toe voor waarnemingen vanaf de aarde.

Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Atacama_Large_Millimeter_Array