Ze tonen voor het eerst ook de hoeveelheden sterren-vormend gas op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis. Dat levert nieuwe inzichten op over het ‘gouden tijdperk’ van de vorming van sterrenstelsels, ongeveer tien miljard jaar geleden. De nieuwe ALMA-resultaten zullen worden gepubliceerd in een reeks artikelen die in de Astrophysical Journal en de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zullen verschijnen. De resultaten worden ook gepresenteerd tijdens de Half a Decade of ALMA-conferentie die deze week in Palm Springs (Californië, VS) wordt gehouden. In 2004 werden de Hubble Ultra Deep Field-opnamen gepubliceerd – baanbrekende diepe waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. Deze spectaculaire foto’s reikten tot verder in het heelal dan ooit tevoren en toonden een menagerie van sterrenstelsels die terugging tot minder dan een miljard jaar na de oerknal. Het gebied werd verscheidene keren waargenomen met Hubble en vele andere telescopen, wat heeft geresulteerd in de diepste blik in het heelal tot nu toe.
Met behulp van ALMA hebben astronomen dit ogenschijnlijk saaie, maar goed onderzochte venster op het verre heelal voor het eerst zowel diep als scherp op millimetergolflengten verkend [1]. Hierdoor konden zij voor het eerst de zwakke gloed van gaswolken en de emissie van warm stof in sterrenstelsels in het vroege heelal zien. Tot nu toe heeft ALMA het HUDF alles bij elkaar ongeveer vijftig uur waargenomen. Nog nooit eerder heeft deze internationale astronomische faciliteit zo lang naar één stukje hemel gekeken. Een team onder leiding van Jim Dunlop (University of Edinburgh, VK) heeft de eerste diepe, homogene ALMA-opname van het HUDF gemaakt. Dat maakte het mogelijk om de stelsels die zij detecteerden één op één te vergelijken met objecten die al met Hubble en andere astronomische faciliteiten waren waargenomen.
Dit onderzoek heeft voor het eerst duidelijk laten zien dat de stellaire massa van een sterrenstelsel de beste voorspeller van het stervormingstempo in het verre heelal is. De astronomen hebben in wezen alle zware stelsels [2] gedetecteerd en verder bijna niets. Jim Dunlop, hoofdauteur van het bijbehorende onderzoeksartikel vat het belang ervan als volgt samen: ‘Dit resultaat is een doorbraak. Voor het eerst brengen we het zichtbare en ultraviolette Hubble-beeld van het heelal op de juiste manier samen met het ver-infrarode/millimeter-beeld van ALMA.’ Het tweede team, onder leiding van Manuel Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) en Fabian Walter (Max-Planck-Institut für Astronomy, Heidelberg, Duitsland), hebben ongeveer een zesde van het complete HUDF [3] aan een nog diepere blik onderworpen.
‘We hebben de eerste volledig blinde, driedimensionale zoektocht naar koel gas in het vroege heelal gehouden,’ zegt teamlid Chris Carilli, die astronoom is bij het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Socorro (New Mexico, VS). ‘Op die manier hebben we een populatie van sterrenstelsels ontdekt die bij andere diepe hemelsurveys niet duidelijk is opgevallen.’ [4] Sommige van de nieuwe ALMA-waarnemingen waren toegespitst op de detectie van sterrenstelsels die rijk zijn aan koolstofmonoxide, wat kenmerkend is voor gebieden die op het punt staan om sterren te gaan vormen. Hoewel deze moleculaire gasvoorraden tot stervormingsactiviteit leiden, zijn ze met Hubble vaak heel moeilijk te zien. ALMA kan dit ontbrekende element in het evolutieproces van sterrenstelsels zichtbaar maken.
‘De nieuwe ALMA-resultaten wijzen erop dat sterrenstelsels snel meer gas bevatten naarmate we verder terugkijken in de tijd,’ voegt hoofdauteur van twee van de onderzoeksartikelen, Manuel Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), daaraan toe. ‘Deze toenemende gasinhoud ligt waarschijnlijk ten grondslag aan de opmerkelijk toename van het stervormingstempo rond de tijd dat de vorming van sterrenstelsels ongeveer 10 miljard jaar geleden haar hoogtepunt bereikte.’ De vandaag gepresenteerde resultaten zijn nog maar een voorbode van een reeks toekomstige ALMA-waarnemingen van het vroege heelal. Zo staat er een 150 uur durende waarnemingscampagne van het HUDF op het programma die nog meer inzicht moet geven in het stervormingspotentieel van het vroege heelal. ‘Door onze kennis van dit ontbrekende sterren-vormende materiaal te vergroten, zal het aanstaande ALMA Large Program ons beeld van de sterrenstelsels in het iconische Hubble Ultra Deep Field vervolmaken,’ besluit Fabian Walter.
Noten
[1] Astronomen hebben dit gebied in het zwakke zuidelijke sterrenbeeld Fornax (Oven) specifiek geselecteerd zodat telescopen op het zuidelijk halfrond, waaronder ALMA, het aan een nader onderzoek konden onderwerpen om onze kennis van het zeer verre heelal te vergroten. De verkenning van het diepe, maar optisch onzichtbare heelal was een van de wetenschappelijke hoofddoelen van ALMA.
[2] In deze context komt ‘zwaar’ overeen met minstens 2 × 1010 (= 20 miljard) zonsmassa’s aan sterren. Ter vergelijking: een groot sterrenstelsel zoals onze Melkweg heeft een massa van ongeveer 100 miljard zonsmassa’s.
[3] Dit hemelgebiedje is ongeveer zevenhonderd keer zo klein als het oppervlak van de schijf van de volle maan, zoals gezien vanaf de aarde. Een van de meest verrassende aspecten van het HUDF was het grote aantal sterrenstelsels dat in zo’n klein stukje hemel is aangetroffen.
[4] ALMA’s vermogen om een compleet ander deel van het electromagnetische spectrum te zien dan Hubble maakt het mogelijk om heel andere astronomische objecten, zoals grote stervormingswolken, te onderzoeken en objecten die op zichtbare golflengten onwaarneembaar zwak zijn. De term ‘blind’ geeft aan dat de zoektocht niet op een specifiek object was gericht. De nieuwe ALMA-waarnemingen van het HUDF bestaan uit twee verschillende soorten data die elkaar aanvullen: continuümwaarnemingen, die stofemissie en stervorming aan het licht brengen, en een spectrale survey, die gericht is op het koude moleculaire gas dat als grondstof dient voor de vorming van nieuwe sterren. Deze tweede survey van groot belang, omdat deze informatie oplevert over de mate waarin het licht van verre objecten naar het rode uiteinde van het spectrum is opgeschoven ten gevolge van de uitdijing van het heelal. Hoe groter de roodverschuiving van een object, des te verder is het van ons verwijderd, en des te verder kijken we terug in de tijd. Op die manier kunnen astronomen een driedimensionale kaart maken van de evolutie van sterren-vormend gas in de loop van de kosmische geschiedenis.
