Astronomen die gebruikmaken van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waar de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) partner in is, hebben een extreem ver en dus zeer jong sterrenstelsel ontdekt dat verrassend veel op onze Melkweg lijkt. Het stelsel is zo ver weg dat zijn licht er meer dan 12 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken: we zien het zoals het was toen het heelal nog maar 1,4 miljard jaar oud was. Het is ook verrassend ordelijk, wat in strijd is met de theorie dat alle sterrenstelsels in het vroege heelal turbulent en instabiel waren. Deze onverwachte ontdekking stelt ons begrip van hoe sterrenstelsels ontstaan op de proef en levert nieuwe inzichten op over het verleden van ons heelal.
‘Dit resultaat betekent een doorbraak op het terrein van de stelselvorming en laat zien dat de structuren die we in nabije spiraalstelsels en in onze eigen Melkweg waarnemen 12 miljard jaar geleden al op hun plek zaten,’ zegt Francesca Rizzo, promovendus van het Max-Planck-Institut für Astrophysik in Duitsland, die de leiding had over het onderzoek waarvan de resultaten vandaag in Nature zijn gepubliceerd. Hoewel het onderzochte sterrenstelsel, SPT0418-47, geen spiraalarmen lijkt te hebben, heeft het minstens twee kenmerken die karakteristiek zijn voor onze Melkweg: een roterende schijf en een centrale verdikking of 'bulge' – een grote groep sterren die zich rond het centrum van het stelsel hebben verzameld. Het is voor het eerst dat zo’n bulge zo vroeg in de geschiedenis van het heelal is waargenomen. Het maakt SPT0418-47 tot de verste dubbelganger van de Melkweg.
‘De grote verrassing was dat dit stelsel, anders dan op grond van modelberekeningen en eerdere, minder nauwkeurige waarnemingen was verwacht nogal veel op nabije sterrenstelsels lijkt’, zegt medeauteur Filippo Fraternali van het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen. De jonge sterrenstelsels in het vroege heelal waren nog niet volgroeid. Daarom verwachtten astronomen dat ze chaotisch zouden zijn en niet de onmiskenbare structuren zouden vertonen die kenmerkend zijn voor volwassen stelsels zoals de Melkweg. Het onderzoek van verre sterrenstelsels zoals SPT0418-47 is essentieel voor ons begrip van hoe sterrenstelsels zijn ontstaan en zich hebben ontwikkeld. Dit sterrenstelsel is zo ver weg dat we het zien toen het heelal nog maar tien procent van zijn huidige leeftijd had. Zijn licht heeft er namelijk 12 miljard jaar over gedaan om de aarde te bereiken. Door dit stelsel te bestuderen, gaan we terug naar een tijd dat de ontwikkeling van deze babystelsels nog maar net op gang was gekomen.
Omdat deze sterrenstelsels zo ver weg zijn, zijn gedetailleerde waarnemingen met zelfs de krachtigste telescopen bijna onmogelijk: de stelsels vertonen zich normaal gesproken als kleine, zwakke vlekjes. Het team kon dit obstakel overwinnen door gebruik te maken van een nabij sterrenstelsel dat als een krachtig vergrootglas fungeert – een verschijnsel dat het zwaartekrachtlenseffect wordt genoemd. Met hulp van dit ‘lensstelsel’ kon ALMA ongekend gedetailleerd in het verre verleden kijken. Bij dit effect wordt het licht van het verre stelsel vervormd en afgebogen door de zwaartekrachtsaantrekking van het lensstelsel. Daardoor ziet het verre stelsel er veel groter uit en lijkt het misvormd. In dit geval vertoont het verre stelsel zich als een bijna volmaakte ring van licht rond het lensstelsel. Dat komt doordat de twee stelsels bijna precies op één lijn staan. Met behulp van een nieuw computermodel heeft het onderzoeksteam aan de hand van de ALMA-data de werkelijke vorm van het verre stelsel en de beweging van het daarin aanwezige gas kunnen reconstrueren. ‘Toen ik het gereconstrueerde beeld van SPT0418-47 voor het eerst zag, geloofde ik mijn ogen niet: er was een schatkist opengegaan,’ zegt Rizzo.
‘Wat we zagen was nogal raadselachtig: ondanks dat het in hoog tempo nieuwe sterren vormt, en dus de locatie van zeer energierijke processen is, is SPT0418-47 het meest geordende schijfstelsel dat ooit in het vroege heelal is waargenomen’, aldus Simona Vegetti, eveneens van het Max-Planck-Institut für Astrophysik. ‘Dit resultaat komt nogal onverwacht en heeft belangrijke gevolgen voor hoe we denken dat sterrenstelsels zich ontwikkelen.’ De astronomen benadrukken echter dat hoewel SPT0418-47 een schijf heeft, en andere eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van de spiraalstelsels die we nu zien, het stelsel zich uiteindelijk tot een andersoortig stelsel zal ontwikkelen. Naar verwachting zal het tot de klasse van de elliptische stelsels gaan behoren – een ander type sterrenstelsel dat, naast de spiraalstelsels, het huidige heelal bevolkt.
Deze onverwachte ontdekking suggereert dat het vroege heelal wellicht niet zo chaotisch was als vroeger werd gedacht en roept de vraag op hoe het kan dat zo’n ordelijk stelsel zo kort na de oerknal kan zijn ontstaan. Deze ALMA-bevinding komt na een eerdere ontdekking, aangekondigd in mei, van een massarijk draaiend schijfstelsel dat op vergelijkbare afstand is opgespoord. Dankzij het lenseffect vertoont SPT0418-47 echter fijnere details, en heeft het behalve een schijf ook een bulge. Daardoor lijkt dit stelsel nog meer op onze huidige Melkweg dan het eerder opgespoorde stelsel. Toekomstig onderzoek, met onder meer ESO’s Extremely Large Telescope, zal moeten uitwijzen hoe karakteristiek deze baby-schijfstelsels nu precies zijn en of ze van nature inderdaad minder chaotisch zijn dan verwacht.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn gepresenteerd in het artikel ‘A dynamically cold disk galaxy in the early Universe’ dat in Nature verschijnt (doi: 10.1038/s41586-020-2572-6).
Het onderzoeksteam bestaat uit F. Rizzo (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Duitsland[MPA]), S. Vegetti (MPA), D. Powell (MPA), F. Fraternali (Kapteyn Instituut, Rijksuniversiteit Groningen), J.P. McKean (Kapteyn Instituut en ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie), H.R. Stacey (MPA, Kapteyn Instituut en ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie) en S.D.M. White (MPA).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. 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) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
