Leidse onderzoekers brengen vorming van sterrenstelsels in beeld

Foto: Extreem verre sterrenstelsels, waargenomen door Hubble (links) en ALMA (rechts). (STScI & ASPECS)

Het onderzoek, dat gepubliceerd zal worden in The Astrophysical Journal, laat zien hoe sterrenstelsels gevormd worden en hoe ze groeien. Het toont aan waarom de periode tussen dertien miljard jaar geleden en tien miljard jaar geleden een Gouden Eeuw was voor de vorming van sterrenstelsels.

De sterrenkundigen werkten samen in de zogeheten ASPECS-survey. ASPECS is een van de eerste grote internationale projecten uitgevoerd met de ALMA-telescoop. Vier Leidse onderzoekers spelen een belangrijke rol in het project. De onderzoekers combineerden tweehonderd uur aan waarnemingen van de ALMA-telescopen in Chili met spectroscopische metingen van het MUSE-instrument op de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, ESO (eveneens in Chili).

Hoogtepunt

Uit eerdere grote onderzoeken bleek al dat de vorming van sterren en sterrenstelsels zo’n tien miljard jaar geleden zijn hoogtepunt kende. Maar de aanleiding en de grootte van die geboortegolf bleef tot nu toe een raadsel. Dit kwam doordat de gebruikte telescopen niet door het stof heen konden kijken en de brandstof voor stervorming niet konden zien. Met de ALMA-telescopen kon dat wel.

De sterrenkundigen keken in het Hubble Ultra Deep Field naar de emissielijn van koolmonoxide. Daaruit konden ze de hoeveelheid moleculaire waterstof afleiden. Dat is de ruwe grondstof voor de vorming van sterren. Om die afleiding nauwkeurig te maken, was kennis nodig van de hoeveelheid zware elementen in het gas, de dichtheid en temperatuur en de sterkte van het stralingsveld dat op de koolmonoxide schijnt. Dat gebeurde met behulp van het MUSE-instrument door de Leidse promovendus Leindert Boogaard.

Leindert Boogaard zegt hierover: "De combinatie van waarnemingen van het koude gas met het warme gas en het sterlicht geven ons een unieke kijk op de verre sterrenstelsels. Deze stukjes van de puzzel zijn essentieel om het volledige proces van de groei en vorming van sterrenstelsels te begrijpen.”

De sterrenstelsels in het Hubble Ultra Deep Field met in totaal de meeste brandstof bleken voornamelijk 'normale’ stelsels, met gemiddelde stermassa's en stervormingssnelheden. Andere sterrenstelsels zijn zogeheten starburst-stelsels, met ongebruikelijk hoge stervormingsactiviteit, of rustige sterrenstelsels, met ongebruikelijk lage activiteit.

Het onderzoek maakt duidelijk dat de hoeveelheid moleculaire waterstof vanaf de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, gestaag toenam tot ongeveer 10 miljard jaar geleden. Rychard Bouwens (Universiteit Leiden): “Dit was dus de Gouden Eeuw van de stervorming, met veel ruw materiaal voor nieuwe sterren en sterrenstelsels. De helft van de sterren die ooit hebben bestaan, zijn in dat tijdperk van de kosmische geschiedenis geboren.”

In de toekomst willen de astronomen naar sterrenstelsels afzonderlijk gaan kijken. Dergelijk gedetailleerd onderzoek is mogelijk met behulp van de hoge-resolutiemodus van de ALMA-telescopen in combinatie met waarnemingen van de toekomstige James Webb Space Telescope.