Astronomen die gebruik maken van het MUSE-instrument van ESO’s Very Large Telescope in Chili hebben de ‘diepste’ spectroscopische survey aller tijden uitgevoerd. Ze hebben zich gericht op het Hubble Ultra Deep Field en de afstanden en eigenschappen van 1600 zeer zwakke sterrenstelsels gemeten, waaronder 72 stelsels die nog nooit eerder zijn waargenomen – zelfs niet door de Hubble-ruimtetelescoop zelf. De grensverleggende gegevens hebben al geresulteerd in tien onderzoeksartikelen die in een speciaal nummer van het tijdschrift Astronomy & Astrophysics worden gepubliceerd. De schat aan nieuwe informatie geeft astronomen inzicht in de stervormingsprocessen in het jonge heelal, en stelt hen in staat om de bewegingen en andere eigenschappen van vroege sterrenstelsels te onderzoeken – met dank aan de unieke spectroscopische kwaliteiten van MUSE.
Het MUSE HUDF Survey-team, onder leiding van Roland Bacon van de Universiteit van Lyon (CRAL, CNRS), Frankrijk, heeft met behulp van MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) het Hubble Ultra Deep Field (heic0406) onder de loep genomen. Dat is een stukje hemel in het zuidelijke sterrenbeeld Fornax (Oven) dat al vele malen is onderzocht. Het nieuwe onderzoek heeft geresulteerd in de diepste spectroscopische waarnemingen die ooit zijn gedaan: van 1600 sterrenstelsels – tien keer zo veel als de afgelopen tien jaar bij elkaar – is nauwkeurige spectroscopische informatie verkregen.
De oorspronkelijke HUDF-opnamen waren het resultaat van baanbrekende diepe waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA, die in 2004 werden gepubliceerd. Ze boden een diepere blik in het heelal dan ooit tevoren en brachten het bestaan aan het licht van een scala aan sterrenstelsels die terugging tot minder dan een miljard jaar na de oerknal. Nadien is dit hemelgebied nog vele malen met Hubble en andere telescopen bekeken, wat heeft geresulteerd in de diepste blik in het heelal tot nu toe [1]. Ondanks het verre bereik van de Hubble-waarnemingen heeft MUSE – naast vele andere resultaten – in dit kleine stukje hemel nu echter 72 sterrenstelsels weten op te sporen die nog nooit eerder waren gezien. Roland Bacon doet het woord: ‘MUSE kan iets wat Hubble niet kan: hij splitst het licht van elk punt in de opname tot zijn samenstelde kleuren, waardoor een spectrum ontstaat. Dit stelt ons in staat om de afstanden, kleuren en andere eigenschappen te meten van alle sterrenstelsels die we zien – waaronder enkele die onzichtbaar zijn voor Hubble zelf!’
De MUSE-gegevens geven een nieuwe blik op zwakke, zeer verre sterrenstelsels zoals ze er 13 miljard jaar geleden – kort na het ontstaan van het heelal – uitzagen. Het instrument heeft sterrenstelsels gedetecteerd die honderd keer zwakker zijn dan die van eerdere surveys, waardoor dit toch al grondig waargenomen hemelgebied nog verder is verrijkt en ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels verder is uitgediept. Bij de survey zijn 72 potentiële Lyman-alpha-stralers ontdekt – sterrenstelsels die uitsluitend Lyman-alfastraling uitzenden [2]. Met onze huidige kennis van het stervormingsproces kunnen we deze sterrenstelsels, die alleen licht van één bepaalde kleur uitzenden, niet volledig verklaren. Het feit dat MUSE hun zwakke schijnsel in zijn samenstellende kleuren ontleedt, brengt deze objecten aan het licht, terwijl ze op diepe opnamen zoals die met Hubble zijn gemaakt onzichtbaar blijven.
‘MUSE heeft het unieke vermogen om informatie te onttrekken aan enkele van de vroegste sterrenstelsels in het heelal – zelfs in een hemelgebied dat al heel goed onderzocht is,’ aldus Jarle Brinchmann van de Sterrewacht Leiden en het Instituut voor Astrofysica van de Universiteit van Porto (Portugal), hoofdauteur van een van de artikelen die op dit onderzoek zijn gebaseerd. ‘We leren dingen over deze sterrenstelsels die je alleen met behulp van spectroscopie te weten komt, zoals hun chemische samenstelling en inwendige beweging – niet stelsel voor stelsel, maar voor alle stelsels tegelijk!’ Een andere belangrijke ontdekking bij dit onderzoek was de systematische detectie van heldere halo’s van waterstof rond sterrenstelsels in het vroege heelal, die astronomen de nieuwe veelbelovende mogelijkheid biedt om te onderzoeken hoe materiaal in en uit de vroege stelsels stroomt.
In de reeks artikelen worden nog vele andere mogelijke toepassingen van de nieuwe gegevens verkend. Zo kan worden onderzocht welke rol zwakke sterrenstelsels hebben gespeeld bij de kosmische reïonisatie (die slechts 380.000 jaar na de oerknal is begonnen) en in welk tempo sterrenstelsels in het jonge heelal zich met elkaar hebben verenigd. Ook kunnen galactische winden, stervorming en de bewegingen van sterren in het vroege heelal onderzocht worden. ‘Opmerkelijk genoeg zijn al deze gegevens verzameld zonder gebruik te maken van de recente Adaptive Optics Facility-upgrade van MUSE. De inwerkingstelling van AOF – het resultaat van tien jaar noeste arbeid door astronomen en technici van ESO – belooft nog meer grensverleggende gegevens te zullen opleveren,’ besluit Roland Bacon [3].
Noten
[1] Het Hubble Ultra Deep Field is een van de best onderzochte stukjes ruimte. Tot op heden is het betreffende gebied onderzocht met dertien instrumenten van acht verschillende telescopen, waaronder ESO-partner ALMA (eso1633), waarmee waarnemingen zijn verricht op röntgen- tot radiogolflengten.
[2] De negatief geladen elektronen die om de positief geladen kern van een atoom draaien hebben gekwantiseerde energieniveaus. Dat we zeggen dat ze alleen specifieke energietoestanden kunnen aannemen en alleen van het ene niveau naar het andere kunnen verspringen door precieze hoeveelheden energie op te nemen of af te geven. Lyman-alfastraling ontstaat wanneer elektronen in waterstofatomen van het op een na laagste naar het laagste energieniveau terugvallen. De hoeveelheid energie die ze daarbij verliezen komt vrij als licht met een specifieke golflengte in het ultraviolette deel van het spectrum. Omdat het licht van verre sterrenstelsels onderweg naar de aarde een sterke roodverschuiving ondergaat – in dit geval bedraagt deze 3 tot 6,6 – wordt de Lyman-alfastraling uiteindeijk waargenomen als zichtbaar licht of nabij-infraroodstraling.
[3] Dankzij de Adaptive Optics Facility heeft MUSE al nooit eerder waargenomen ringen ontdekt rond de planetaire nevel IC 4406 (eso1724).
