ALMA’s Long Baseline Campaign heeft een spectaculair detailrijke opname opgeleverd van een ver sterrenstelsel. De foto toont een ‘gravitationeel vergroot’ beeld van de stervormingsgebieden in het stelsel. Nooit eerder zijn zulke stellaire kraamkamers in zo’n ver sterrenstelsel zo duidelijk in beeld gebracht. De nieuwe waarnemingen zijn vele malen detailrijker dan de opnamen die met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA zijn gemaakt.
Het sterrvormingsgebieden zijn een soort grote versie van de bekende Orionnevel. ALMA’s Long Baseline Campaign heeft ongekend gedetailleerde informatie opgeleverd over objecten in het nabije en verre heelal. Bij waarnemingen die eind 2014 in het kader van deze campagne zijn gedaan was het verre sterrenstelsel SDP.81 doelwit. Het licht van dit stelsel is onderhevig aan een kosmisch verschijnsel dat het gravitatielenseffect wordt genoemd. Tussen SDP.81 en ALMA staat een ander stelsel [1] dat als een lens fungeert. De zwaartekracht van dit lensstelsel vervormt het beeld van het verre sterrenstelsel tot een bijna volmaakte Einsteinring [2]. Meerdere teams van wetenschappers [3] hebben onafhankelijk van elkaar de ALMA-gegevens van SDP.81 geanalyseerd. Dat leverde een stortvloed aan onderzoeksartikelen op met ongekende informatie over het stelsel, waaronder details over zijn structuur, inhoud en bewegingen. ALMA werkt als een interferometer. Eenvoudig gezegd vormen de antennes van de array één kolossale virtuele telescoop [4]. Bij gevolg hebben deze nieuwe opnamen van SDP.81 een zesmaal zo hoge resolutie (beeldscherpte) [5] als de infraroodopnamen die met de Hubble-ruimtetelescoop van ESA en NASA zijn gemaakt. De geavanceerde modellen van de astronomen tonen een fijne, nooit eerder waargenomen structuur binnen SDP.81, in de vorm van stofrijke wolken waarvan wordt vermoed dat ze grote hoeveelheden koud moleculair gas bevatten. Zulke wolken zijn de geboorteplaatsen van sterren en planeten. De modellen van de astronomen konden de vervorming corrigeren die door het gravitatielenseffect ontstaat. Daardoor zijn de waarnemingen zo scherp dat onderzoekers stervormingsgebieden met afmetingen tot 100 lichtjaar in het sterrenstelsel kunnen zien. De stervormingsgebieden lijken op een grote versie van de Orionnevel. Ze produceren duizenden keren meer nieuwe sterren. Het is voor het eerst dat dit verschijnsel op zo’n enorme afstand is waargenomen.
‘De gereconstrueerde ALMA-opname van het sterrenstelsel is spectaculair,’ zegt Rob Ivison, mede-auteur van twee van de artikelen en wetenschappelijk directeur van ESO. ‘ALMA’s enorme opvangende oppervlak, de grote afstanden tussen haar antennes en de stabiele atmosfeer boven de Atacamawoestijn dragen allemaal bij aan de voortreffelijke detailrijkdom van zowel beelden als spectra. Dat levert niet alleen heel gevoelige waarnemingen op, maar ook informatie over de wijze waarop de verschillende delen van het sterrenstelsel bewegen. We kunnen stelsels aan de andere kant van het heelal onderzoeken die bezig zijn om samen te vloeien en enorme aantallen sterren produceren. Voor zulke dingen mag je me ’s morgens wakker maken!’ Met behulp van de spectrale informatie die met ALMA is verkregen, hebben astronomen ook gemeten hoe het verre stelsel roteert, en een schatting van zijn massa gemaakt. De gegevens laten zien dat het gas in dit stelsel instabiel is: samenballingen van gas zijn bezig samen te trekken en zullen in de toekomst waarschijnlijk in nieuwe grote stervormingsgebieden veranderen.
Opmerkelijk is ook dat de modellen van het lenseffect erop wijzen dat zich in het centrum van het voorgrondstelsel, dat als lens fungeert, een superzwaar zwart gat bevindt [6]. Het centrale deel van SDP.81 is te zwak om waarneembaar te zijn, wat tot de conclusie leidt dat het voorgrondstelsel een centraal zwart gat heeft dat meer dan 200 à 300 miljoen maal zoveel massa heeft als de zon. Het aantal artikelen dat op basis van deze ene ALMA-dataset is gepubliceerd bewijst hoeveel opwinding het grote potentieel van de array onder astronomen veroorzaakt. Het laat ook zien dat ALMA astronomen de komende jaren tot nog meer ontdekkingen in staat zal stellen, en nog meer vragen over de aard van verre sterrenstelsels kan helpen beantwoorden.
ALMA’s Long Baseline Campaign heeft een spectaculair detailrijke opname opgeleverd van een ver sterrenstelsel.
De foto toont een ‘gravitationeel vergroot’ beeld van de stervormingsgebieden in het stelsel – grote
soortgenoten van de bekende Orionnevel - Foto: ALMA
Noten
[1] Het verre sterrenstelsel wordt gezien in een tijd dat het heelal nog maar 15 procent van zijn huidige leeftijd had: slechts 2,4 miljard jaar na de oerknal. Zijn licht heeft er meer dan de tweemaal de leeftijd van de aarde over gedaan om ons te bereiken (11,4 miljard jaar). Daarbij heeft het een omweg gemaakt langs een zwaar voorgrondstelsel dat met een afstand van vier miljard lichtjaar relatief dichtbij staat.
[2] Het bestaan van gravitatielenzen is voorspeld door Albert Einstein. Diens algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat objecten een kromming van ruimte en tijd veroorzaken. Licht dat in de omgeving van zo’n object terechtkomt, volgt vanzelf de kromming die door het object wordt veroorzaakt. Hierdoor kunnen met name de zwaarste objecten – enorme sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels – als kosmische vergrootglazen fungeren. Een Einsteinring is een bijzonder soort gravitatielens waarbij de aarde, het lensstelsel op de voorgrond en het achtergrondstelsel exact op één lijn staan. In dat geval wordt het licht van het verre stelsel uitgesmeerd tot een ring. Dit verschijnsel wordt toegelicht in Video A.
[3] Hieronder is een overzicht van de wetenschappelijke teams te vinden.
[4] De beeldscherpte van ALMA is op z’n grootst wanneer de antennes zo ver mogelijk uit elkaar staan – tot wel 15 kilometer. Ter vergelijking zijn hier eerdere waarnemingen van gravitatielenzen te vinden, die met ALMA in een compacte configuratie van slechts ongeveer 500 meter zijn gemaakt.
[5] In deze gegevens zijn details tot 0,023 boogseconde, oftewel 23 milliboogseconden, te zien. Hubble heeft dit stelsel in het nabij-infrarood waargenomen, met een resolutie van ongeveer 0,16 boogseconde. Daarbij moet wel worden opgemerkt dat de ruimtetelescoop op kortere golflengten een aanzienlijk hogere resolutie kan bereiken – tot 0,022 boogseconde in het nabij-ultraviolet. Afhankelijk van het soort waarnemingen kan de resolutie van ALMA worden aangepast door de antennes verder uiteen of dichter bij elkaar te zetten. Voor deze waarnemingen is de grootst mogelijke configuratie gebruikt, wat de hoogst mogelijke resolutie opleverde.
[6] Bij die hoge resolutie zouden onderzoekers het centrale deel van het achtergrondstelsel moeten kunnen zien. Dat zou dan in het midden van de Einsteinring verschijnen. Als het voorgrondstelsel – de ‘lens’ – echter een superzwaar zwart gat in zijn centrum heeft, wordt dat centrale beeld zwakker. De zwakte van het centrale beeld geeft een indicatie van de massa van het zwarte gat in het voorgrondstelsel.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn vastgelegd in meerdere artikelen die in de nabije toekomst worden gepubliceerd. De verschillende onderzoeksteams zijn als volgt samengesteld:
http://arxiv.org/abs/1503.07605
Yoichi Tamura (Universiteit van Tokio), Masamune Oguri (Universiteit van Tokio), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI), Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI) en Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan).
http://arxiv.org/abs/1503.08720 & http://arxiv.org/abs/1505.05148
Mark Swinbank (Institute for Computational Cosmology [ICC], Durham University; Center for Extragalactic Astronomy [CEA], Durham University), Simon Dye (School of Physics and Astronomy, University of Nottingham), James Nightingale (University of Nottingham), Christina Furlanetto (University of Nottingham; CAPES Foundation, Ministry of Education of Brazil, Brazilië), Ian Smail (ICC, Durham; CEA, Durham), Asantha Cooray (Astronomy Department, California Institute of Technology, VS), Helmut Dannerbauer (Institut fur Astrophysik, Universität Wien, Wenen, Oostenrijk), Loretta Dunne (Department of Physics and Astronomy, University of Canterbury, Nieuw-Zeeland; Institute for Astronomy [IfA], Royal Observatory Edinburgh), Steve Eales (School of Physics and Astronomy, Cardiff University), Raphael Gavazzi (Institut d’Astrophysique de Paris, Université Pierre et Marie Curie, Parijs, Frankrijk), Todd Hunter (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, VS), Rob Ivison (IfA, Edinburgh; ESO, Duitsland), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Vicolo Osservatorio, Padova, Italië), Ivan Oteo (IfA, Edinburgh; ESO, Duitsland), Renske Smit (ICC, Durham; CEA, Durham), Paul van der Werf (Sterrewacht Leiden) en Catherine Vlahakis (Joint ALMA Observatory, Chili; ESO, Chili)
http://arxiv.org/abs/1503.05558
Kenneth C. Wong (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA), Taipei, Taiwan), Sherry H. Suyu (ASIAA, Taiwan), Satoki Matsushita (ASIAA, Taiwan)
http://arxiv.org/abs/1503.07997
Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan, Tokio, Japan), Yoichi Tamura (Institute of Astronomy, Universiteit van Tokio, Japan), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan; The Graduate University for Advanced Studies [SOKENDAI], Tokio, Japan), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan), Masamune Oguri (Research Center for the Early Universe, Universiteit van Tokio, Tokio, Japan; Department of Physics, Universiteit van Tokio, Tokyio, Japan; Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe [Kavli IPMU, WPI], Universiteit van Tokio, Chiba, Japan)
http://arxiv.org/abs/1503.02652
The ALMA Partnership, C. Vlahakis (Joint ALMA Observatory [JAO]; ESO) , T.R. Hunter (National Radio Astronomy Observatory [NRAO]), J.A. Hodge (NRAO) , L.M. Pérez (NRAO) , P. Andreani (ESO), C. L. Brogan (NRAO) , P. Cox (JAO, ESO), S. Martin (Institut de Radioastronomie Millimétrique [IRAM]), M. Zwaan (ESO), S. Matsushita (Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan), W.R.F. Dent (JAO, ESO), C.M.V. Impellizzeri (JAO, NRAO), E.B. Fomalont (JAO, NRAO), Y. Asaki (National Astronomical Observatory of Japan; Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency [JAXA]) , D. Barkats (JAO, ESO), R.E. Hills (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), A. Hirota (JAO; National Astronomical Observatory of Japan), R. Kneissl (JAO, ESO), E. Liuzzo (INAF, Istituto di Radioastronomia), R. Lucas (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble), N. Marcelino (INAF), K. Nakanishi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), N. Phillips (JAO, ESO), A.M.S. Richards (University of Manchester), I. Toledo (JAO), R. Aladro (ESO), D. Broguiere (IRAM), J.R. Cortes (JAO, NRAO), P.C. Cortes (JAO, NRAO), D. Espada (ESO, National Astronomical Observatory of Japan), F. Galarza (JAO), D. Garcia-Appadoo (JAO, ESO), L. Guzman-Ramirez (ESO), A.S. Hales (JAO, NRAO) , E.M. Humphreys (ESO), T. Jung (Korea Astronomy and Space Science Institute), S. Kameno (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), R.A. Laing (ESO), S. Leon (JAO,ESO) , G. Marconi (JAO, ESO), A. Mignano (INAF), B. Nikolic (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), L.A. Nyman (JAO, ESO), M. Radiszcz (JAO), A. Remijan (JAO, NRAO), J.A. Rodón (ESO), T. Sawada (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), S. Takahashi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), R.P.J. Tilanus (Leiden University), B. Vila Vilaro (JAO, ESO), L.C. Watson (ESO), T. Wiklind (JAO, ESO), Y. Ao (National Astronomical Observatory of Japan), J. Di Francesco (National Research Council Herzberg Astronomy & Astrophysics), B. Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), E. Hatziminaoglou (ESO), J. Mangum (NRAO), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), E. Van Kampen (ESO), A. Wootten (NRAO), I. De Gregorio-Monsalvo (JAO, ESO), G. Dumas (IRAM), H. Francke (JAO), J. Gallardo (JAO), J. Garcia (JAO), S. Gonzalez (JAO), T. Hill (ESO), D. Iono (National Astronomical Observatory of Japan), T. Kaminski (ESO), A. Karim (Argelander-Institute for Astronomy), M. Krips (IRAM), Y. Kurono (JAO, National Astronomical Observatory of Japan) , C. Lonsdale (NRAO), C. Lopez (JAO), F. Morales (JAO), K. Plarre (JAO), L. Videla (JAO), E. Villard (JAO, ESO), J.E. Hibbard (NRAO), K. Tatematsu (National Astronomical Observatory of Japan)
