Onderzoekers gebruiken melkwegstelsel als 'kosmische telescoop' om het hart van het jonge heelal te bestuderen

[univers]

De weergave van een kunstenaar laat zien hoe een cluster van melkwegstelsels (lenscluster) werkt als een zwaartekrachtlens die het licht van een achtergrondmelkwegstelsel vergroot en uitbreidt. Dit resulteert in een geprojecteerd beeld (gemarkeerd in het rechthoekige paneel) dat helderder is en gemakkelijker te detecteren met een telescoop. Hierdoor konden astronomen het KCWI-instrument van Keck Observatory gebruiken om in te zoomen op het geprojecteerde beeld en het gas in kaart te brengen van twee gigantische DLA's die tweederde zo groot zijn als de Melkweg.
CREDIT:WM Keck Observatorium/Adam Makarenko

Een uniek nieuw instrument, gekoppeld aan een krachtige telescoop en een beetje hulp van de natuur, heeft onderzoekers de mogelijkheid gegeven om in galactische kraamkamers in het hart van het jonge universum te kijken.

Na de oerknal, zo'n 13,8 miljard jaar geleden, was het vroege heelal gevuld met enorme wolken van neutraal diffuus gas, bekend als Damped Lyman-α-systemen of DLA's. Deze DLA's dienden als galactische kraamkamers, omdat de gassen erin langzaam condenseerden om de vorming van sterren en sterrenstelsels te voeden. Ze kunnen vandaag nog steeds worden waargenomen, maar het is niet gemakkelijk.

"DLA's zijn essentieel om te begrijpen hoe sterrenstelsels zich in het universum vormen, maar ze zijn meestal moeilijk waar te nemen omdat de wolken te diffuus zijn en zelf geen licht uitstralen", zegt Rongmon Bordoloi, assistent-professor natuurkunde aan de North Carolina State University en corresponderend auteur van het onderzoek.

Momenteel gebruiken astrofysici quasars - superzware zwarte gaten die licht uitstralen - als "achtergrondverlichting" om de DLA-wolken te detecteren. En hoewel onderzoekers met deze methode DLA-locaties kunnen lokaliseren, werkt het licht van de quasars slechts als kleine spiesjes door een enorme wolk, wat de inspanningen om hun totale grootte en massa te meten belemmert.

Maar Bordoloi en John O'Meara, hoofdwetenschapper bij het WM Keck Observatory in Kamuela, Hawaii, vonden een manier om het probleem te omzeilen door een stelsel met zwaartekrachtlenzen en integrale veldspectroscopie te gebruiken om twee DLA's te observeren - en de gaststerrenstelsels binnenin - die zich rond 11 miljard jaar geleden, niet lang na de oerknal.

"Galaxies met gravitatielenzen verwijzen naar sterrenstelsels die uitgerekt en helderder lijken", zegt Bordoloi. "Dit komt omdat er een zwaartekracht-zware structuur voor de melkweg is die het licht dat eruit komt afbuigt terwijl het naar ons toe reist. Dus uiteindelijk kijken we naar een uitgebreide versie van het object - het is alsof we een kosmische telescoop gebruiken die de vergroting vergroot en ons een betere visualisatie geeft.

"Het voordeel hiervan is tweeledig: ten eerste is het achtergrondobject uitgestrekt over de lucht en helder, dus het is gemakkelijk om spectrummetingen uit te voeren op verschillende delen van het object. Twee, omdat lensen het object uitbreidt, kun je zeer kleine schalen onderzoeken. Als het object bijvoorbeeld één lichtjaar in doorsnede is, kunnen we kleine stukjes in zeer hoge getrouwheid bestuderen.”

Spectrummetingen stellen astrofysici in staat om elementen in de diepe ruimte te "zien" die niet zichtbaar zijn voor het blote oog, zoals diffuse gasvormige DLA's en de potentiële sterrenstelsels daarin. Normaal gesproken is het verzamelen van de meetwaarden een lang en moeizaam proces. Maar het team loste dat probleem op door integrale veldspectroscopie uit te voeren met de Keck Cosmic Web Imager.

Dankzij integrale veldspectroscopie konden de onderzoekers een spectrum verkrijgen bij elke afzonderlijke pixel van het deel van de lucht waarop het gericht was, waardoor spectroscopie van een uitgebreid object aan de lucht zeer efficiënt was. Deze innovatie in combinatie met het uitgerekte en verhelderde sterrenstelsel met gravitatielens stelde het team in staat om het diffuse DLA-gas in de lucht in high-fidelity in kaart te brengen. Met deze methode konden de onderzoekers niet alleen de grootte van de twee DLA's bepalen, maar ook dat ze allebei gastheerstelsels bevatten.

"Ik heb het grootste deel van mijn carrière op deze combinatie gewacht: een telescoop en instrument die krachtig genoeg zijn, en de natuur die ons een beetje geluk geeft om niet één maar twee DLA's op een rijke nieuwe manier te bestuderen", zegt O'Meara. "Het is geweldig om te zien dat de wetenschap tot wasdom komt."

De DLA's zijn trouwens enorm. Met een diameter van meer dan 17,4 kiloparsec zijn ze meer dan tweederde zo groot als het huidige Melkwegstelsel. Ter vergelijking: 13 miljard jaar geleden zou een typisch sterrenstelsel een diameter hebben van minder dan 5 kiloparsec. Een parsec is 3,26 lichtjaar en een kiloparsec is 1.000 parsec, dus het zou licht ongeveer 56.723 jaar kosten om door elke DLA te reizen.

"Maar voor mij is het meest verbazingwekkende aan de DLA's die we hebben waargenomen, dat ze niet uniek zijn - ze lijken qua structuur overeenkomsten te hebben, in beide werden gaststerrenstelsels gedetecteerd en hun massa geeft aan dat ze genoeg brandstof bevatten voor de volgende generatie van stervorming”, zegt Bordoloi. "Met deze nieuwe technologie tot onze beschikking kunnen we dieper graven in hoe sterren zich in het vroege heelal hebben gevormd."

Het werk verschijnt in Nature en werd ondersteund door de National Aeronautics and Space Administration, de WM Keck Foundation en de National Science Foundation. Het Australian Research Council Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) droeg ook bij aan het werk.

https://www.eurekalert.org/news-releases/952831