De grootste geboorte-explosies van sterren in het jonge universum vonden plaats in verre sterrenstelsels met veel kosmisch stof. Deze sterrenstelsels zijn van het grootste belang voor ons begrip van de vorming en evolutie van melkwegstelsels in de geschiedenis van het heelal, maar het stof bedekt hen en maakt het moeilijk hen te identificeren met optische telescopen. Om hen te ontdekken zijn telescopen nodig die observeren op langere golflengten, van rond een millimeter, zoals ALMA. “Astronomen hebben meer dan tien jaar op dit soort data gewacht. ALMA is zo krachtig dat de telescoop een revolutie teweegbrengt in de manier waarop we deze sterrenstelsels observeren, terwijl de telescoop niet eens helemaal af was op het moment dat de observaties werden gedaan”, zegt Jacqueline Hodge (Max-Planck-Institut für Astronomie, Germany), eerste auteur van het artikel waarin de ALMA-resultaten worden gepresenteerd.
De beste kaart van deze stoffige, verre stelsels tot nu toe was gemaakt met de door de ESO uitgevoerde Atacama Pathfinder Experiment telescope (APEX). APEX keek naar een deel van de sterrenhemel ter grootte van een halve volle maan [1], en ontdekte 126 van die sterrenstelsels. Maar in de APEX-afbeeldingen was elke uitbarsting van stervorming een relatief vage vlek, die mogelijk uit meer dan één sterrenstelsel bestond in scherpere opnamen op andere golflengten. Dat astronomen niet precies wisten in welk van de stelsels de stervorming plaatsvond, hinderden hen bij hun onderzoek naar stervorming in het vroege heelal. De juiste sterrenstelsels lokaliseren vergt scherpere observaties, en scherpere observaties vergen een grotere telescoop. Waar APEX een enkele schotelantenne heeft van 12 meter doorsnee, gebruikt een telescoop als ALMA vele APEX-achtige schotels, verspreid over een groot gebied. De signalen van alle antennes worden gecombineerd, met als resultaat een gigantische telescoop zo groot als de hele array van antennes.
Het onderzoeksteam gebruikte ALMA om de sterrenstelsels te observeren die op de APEX-kaart staan, tijdens de eerste fase van wetenschappelijke waarnemingen terwijl de telescoop nog in aanbouw was. Met gebruik van minder dan een kwart van de uiteindelijke 66 antennes, verspreid over maximaal 125 meter, had ALMA slechts 2 minuten per sterrenstelsel nodig om het te lokaliseren, in een gebiedje dat 200 kleiner is dan de APEX-vlekken, en met een drie keer grotere gevoeligheid. ALMA is zoveel gevoeliger dan andere telescopen in zijn soort, dat de telescoop in twee uur tijd het aantal van dit soort observaties dat ooit is gedaan, verdubbelde.
Het team slaagde erin ondubbelzinnig vast te stellen welke sterrenstelsels gebieden met actieve stervorming bevatten, maar in de helft van de gevallen ontdekten ze dat in de vorige observaties meerdere stervormende sterrenstelsels als een enkele vlek werden weergegeven. ALMA’s scherpe blik kon de afzonderlijke stelsels wél onderscheiden.
“We dachten eerst dat de helderste sterrenstelsels 1000 maal zo snel sterren vormden als onze Melkweg, met het risico dat ze uit elkaar zouden spatten. De ALMA-resultaten onthulden meerdere, kleinere sterrenstelsels, die in een iets redelijker tempo sterren vormen”, zegt Alexander Karim (Durham University, United Kingdom), teamlid en eerste auteur van het artikel dat over dit onderzoek is geschreven.
De resultaten vormen de eerste, statistisch significante catalogus van stoffige, stervormende sterrenstelsels in het vroege universum, en geven aanleiding voor verder onderzoek naar de eigenschappen van de melkwegstelsels op verschillende golflengten, zonder het risico op misinterpretatie als gevolg van het schijnbare samensmelten van de stelsels. Ondanks ALMA’s scherpe blik en ongeëvenaarde gevoeligheid, spelen telescopen als APEX nog steeds een rol. “APEX kan een groot gebied aan de hemel sneller observeren dan ALMA, en is dus ideaal voor het ontdekken van de stelsels. Als we eenmaal weten waar we moeten kijken, kunnen we ALMA gebruiken om het precies te lokaliseren”, concludeert coauteur Ian Smail (Durham University, United Kingdom), co-auteur van het artikel.
Noten
[1] De waarnemingen zijn gedaan in een gebied aan de hemel in het zuidelijke sterrenbeeld Oven (Fornax), dat het Chandra Deep Field South wordt genoemd. Het is al intensief bestudeerd door allerlei telescopen op de grond en in de ruimte. De ALMA-waarnemingen breiden de diepe, hoge-resolutie-observaties uit naar het millimeter/submillimetergebied van het spectrum en vullen de eerdere waarnemingen aan.
Meer informatie
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
APEX is een samenwerkingsproject van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) (50%), het Onsala Space Observatory (OSO) (23%) en ESO (27%). Het onderzoek is gepresenteerd in het artikel ‘An ALMA Survey of Submillimeter Galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: Source Catalog and Multiplicity’, door J. Hodge et al., en verschijnt in the Astrophysical Journal. Het begeleidende artikel ‘An ALMA survey of submillimetre galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: High resolution 870 μm source counts’, on the multiplicity of the sources door A. Karim et al., zal verschijnen in the Oxford University Press journal, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Het team bestaat uit J. A. Hodge (Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg, Germany [MPIA]), A. Karim (Institute for Computational Cosmology, Durham University, United Kingdom), I. Smail (Durham), A. M. Swinbank (Durham), F. Walter (MPIA), A. D. Biggs (ESO), R. J. Ivison (UKATC and Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, United Kingdom), A. Weiss (Max–Planck Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), D. M. Alexander (Durham), F. Bertoldi (Argelander–Institute of Astronomy, Bonn University, Germany), W. N. Brandt (Institute for Gravitation and the Cosmos & Department of Astronomy & Astrophysics, Pennsylvania State University, University Park, USA), S. C. Chapman (Institute of Astronomy, University of Cambridge, United Kingdom; Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, Halifax, United Kingdom), K. E. K. Coppin (mcgill University, Montreal, Canada), P. Cox (IRAM, Saint–Martin d’Héres, France), A. L. R. Danielson (Durham), H. Dannerbauer (University of Vienna, Austria), C. De Breuck (ESO), R. Decarli (MPIA), A. C. Edge (Durham), T. R. Greve (University College London, United Kingdom), K. K. Knudsen (Department of Earth and Space Sciences, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Onsala, Sweden), K. M. Menten (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), H.–W. Rix (MPIA), E. Schinnerer (MPIA), J. M. Simpson (Durham), J. L. Wardlow (Department of Physics & Astronomy, University of California, Irvine, USA) en P. Van der Werf (Leiden Observatory, Netherlands). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
