Hubble vindt vroege, massieve sterrenstelsels die leeg lopen

Toen het universum ongeveer 3 miljard jaar oud was, slechts 20% van zijn huidige leeftijd, beleefde het de meest vruchtbare periode van stergeboorte in zijn geschiedenis.

Maar toen NASA's Hubble-ruimtetelescoop en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) (*) in het noorden van Chili naar kosmische objecten uit deze periode staarden, ontdekten ze iets vreemds: zes vroege, massieve, "dode" sterrenstelsels die zonder koud waterstof waren geraakt, hét gas dat nodig is om sterren te maken.

Zonder brandstof voor stervorming liepen deze sterrenstelsels letterlijk leeg. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Bij de foto: Deze beelden zijn samengesteld met opnames van NASA's Hubble Space Telescope en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). De omkaderde en uitvergrote delen tonen twee van de zes, verre, massieve sterrenstelsels waar wetenschappers hebben vastgesteld dat de stervorming is gestopt vanwege de uitputting van hun brandstofbron - koud waterstofgas. Hubble vond samen met ALMA deze vreemde sterrenstelsels toen ze hun krachten combineerden met een gravitatielens die werd gecreëerd door massieve clusters van sterrenstelsels op de voorgrond. De zwaartekracht van de clusters rekt en versterkt het licht van de achtergrondstelsels. Dankzij dit fenomeen kunnen astronomen massieve clusters van sterrenstelsels gebruiken als natuurlijke vergrootglazen om details in de verre sterrenstelsels te bestuderen die anders onmogelijk te zien zouden zijn. Het geel volgt de gloed van sterrenlicht. De kunstmatige paarse kleur toont het koude stof waargenomen met ALMA. Dit koude stof wordt gebruikt als een proxy voor het koude waterstofgas dat nodig is voor stervorming. Zelfs met de gevoeligheid van ALMA detecteren wetenschappers geen stof in de meeste van de zes bekeken sterrenstelsels. Een voorbeeld is MRG-M1341, rechtsboven. Het ziet er vervormd uit door de "funhouse mirror" optische effecten van lensing. De paarse klodder links van het sterrenstelsel is daarentegen een voorbeeld van een stof- en gasrijk sterrenstelsel. Een voorbeeld van de detectie van koud stof dat ALMA heeft gemaakt, is het sterrenstelsel MRG-M2129 rechtsonder. De melkweg heeft alleen stof en gas in het centrum. Dit suggereert dat de stervorming vanaf de buitenwijken naar binnen is gestopt. Afbeelding: Joseph DePasquale (STScI)

"Op dat moment in ons universum zouden alle sterrenstelsels veel sterren moeten vormen. Het is het toptijdperk van stervorming”, legt hoofdauteur Kate Whitaker uit, assistent-professor astronomie aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst. Whitaker is ook universitair hoofddocent aan het Cosmic Dawn Centre in Kopenhagen, Denemarken. "Dus wat is er zo vroeg met al het koude gas in deze sterrenstelsels gebeurd?"

Deze studie is een klassiek voorbeeld van de harmonie tussen Hubble- en ALMA-waarnemingen. De Hubble-telescoop gaf aan waar in de melkwegstelsels de sterren zich bevinden en waar ze zich in het verleden hebben gevormd. Door het koude stof te detecteren dat als proxy dient voor het koude waterstofgas, liet ALMA astronomen zien waar in de toekomst sterren zouden kunnen ontstaan ​​als er voldoende brandstof aanwezig was.

De eigen telescopen van de natuur gebruiken

De studie van deze vroege, verre, dode sterrenstelsels maakte deel uit van het toepasselijk genaamde REQUIEM-programma, wat staat voor Resolving QUIEscent Magnified Galaxies At High Redshift. (Roodverschuiving vindt plaats wanneer licht wordt uitgerekt door de uitdijing van de ruimte en verschoven lijkt naar het rode deel van het spectrum. Hoe verder een melkwegstelsel is ten opzichte van de waarnemer, hoe roder het lijkt.)

Het REQUIEM-team gebruikt extreem massieve clusters van voorgrondstelsels als natuurlijke telescopen. De immense zwaartekracht van een melkwegcluster vervormt de ruimte, buigt en vergroot het licht van achtergrondobjecten. Wanneer een vroeg, massief en zeer ver sterrenstelsel zich achter zo'n cluster bevindt, lijkt het enorm uitgerekt en vergroot, waardoor astronomen details kunnen bestuderen die anders onmogelijk te zien zouden zijn. Dit wordt "sterke zwaartekrachtlensing" genoemd.

Alleen door de voortreffelijke resolutie van Hubble en ALMA te combineren met deze sterke lensing was het REQUIEM-team in staat om de vorming van deze zes sterrenstelsels te begrijpen, die er net zo uitzien als slechts een paar miljard jaar na de oerknal..

"Door sterke zwaartekrachtlenzen als natuurlijke telescoop te gebruiken, kunnen we de verre, meest massieve en eerste sterrenstelsels vinden die hun stervorming stoppen", zei Whitaker. "Ik denk er graag over na alsof ik wetenschap doe uit de jaren 2030 of 40 - met krachtige ruimtetelescopen van de volgende generatie - maar dan vandaag door de mogelijkheden van Hubble en ALMA te combineren, die worden versterkt door sterke lenzen."

"REQUIEM heeft tot nu toe de grootste steekproef van deze zeldzame, dode sterrenstelsels met sterke lenzen in het vroege heelal verzameld, en sterke lenswerking is hier de sleutel", zegt Mohammad Akhshik, hoofdonderzoeker van het Hubble-observatieprogramma. "Het versterkt het licht over alle golflengten, zodat het gemakkelijker te detecteren is, en je krijgt ook een hogere ruimtelijke resolutie als deze sterrenstelsels over de hemel zijn uitgestrekt. Je kunt in wezen op veel fijnere fysieke schalen naar binnen kijken om erachter te komen wat er gebeurt.

Leef snel, sterf jong

Dit soort dode sterrenstelsels lijken niet te verjongen, zelfs niet door latere kleine fusies en aangroeiingen van nabijgelegen, kleine sterrenstelsels en gas. Door dingen om hen heen op te slokken, worden de sterrenstelsels meestal alleen maar "opgeblazen". Als de stervorming weer aangaat, beschreef Whitaker het als "een soort glazuur". Ongeveer 11 miljard jaar later in het huidige heelal, wordt aangenomen dat deze voorheen compacte sterrenstelsels zijn geëvolueerd om groter te zijn, maar nog steeds dood zijn in termen van nieuwe stervorming.

Deze zes sterrenstelsels leefden snel en furieus en creëerden hun sterren in een opmerkelijk korte tijd. Waarom ze de stervorming zo vroeg hebben stopgezet, is nog steeds een raadsel.

Whitaker stelt verschillende mogelijke verklaringen voor: "Heeft een superzwaar zwart gat in het centrum van de melkweg al het gas opgewarmd? Als dat zo is, kan het gas er nog zijn, maar is het nu heet. Of het kan verdreven zijn en wordt nu voorkomen dat het terugvalt naar de melkweg? Of heeft de melkweg het gewoon allemaal opgebruikt en is de toevoer afgesneden? Dit zijn enkele van de open vragen die we zullen blijven onderzoeken met nieuwe waarnemingen op de weg.”

De Hubble Space Telescope is een samenwerking tussen NASA en ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop. Het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, voert Hubble-wetenschappelijke operaties uit. STScI wordt voor NASA beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: NASA

(*) ALMA - De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili is het grootste astronomische project ter wereld. Zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Atacama_Large_Millimeter_Array