science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Astronomen observeren vroege stadia van Melkwegachtige sterrenstelsels in het verre heelal

Artist impression van een voorloper van Melkwegachtige sterrenstelsels in het vroege heelal met een achtergrondquasar die schijnt door een 'superhalo' van waterstofgas die het sterrenstelsel omringt. Nieuwe ALMA-waarnemingen van twee van dergelijke sterrenstelsels onthullen dat deze enorme halo's zich tot ver buiten de stoffige, stervormende schijven. De sterrenstelsels werden aanvankelijk gevonden door de absorptie van achtergrondquasarlicht dat door de sterrenstelsels gaat. ALMA kon de geïoniseerde koolstof in de schijven van de sterrenstelsels in beeld brengen, onthullende cruciale details over hun structuren. Krediet:A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)

Al decenia, astronomen hebben verre sterrenstelsels gevonden door de karakteristieke manier te detecteren waarop hun gas licht absorbeert van een heldere quasar op de achtergrond. Maar pogingen om het licht te observeren dat door deze zelfde sterrenstelsels wordt uitgezonden, zijn meestal niet succesvol geweest. Nutsvoorzieningen, een team van astronomen met behulp van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chili heeft emissies waargenomen van twee verre sterrenstelsels die aanvankelijk werden gedetecteerd door hun quasar-absorptiesignaturen, en de resultaten waren niet wat ze hadden verwacht.

Voor een ding, emissies veroorzaakt door stervorming in de sterrenstelsels werden op een verrassende afstand gescheiden van het dichte gas dat werd onthuld door quasarabsorptie, wat aangeeft dat de sterrenstelsels zijn ingebed in een uitgebreide halo van waterstofgas. De geschatte stervormingssnelheden waren ook onverwacht hoog.

"We hadden verwacht dat we vage emissies bovenop de quasar zouden zien, en in plaats daarvan zagen we heldere sterrenstelsels op grote afstanden van de quasar, " zei J. Xavier Prochaska, hoogleraar astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz en co-auteur van een paper over de nieuwe bevindingen die op 24 maart zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Het neutrale waterstofgas dat wordt onthuld door zijn absorptie van quasarlicht, maakt hoogstwaarschijnlijk deel uit van een grote halo of uitgebreide schijf van gas rond de melkweg, zei eerste auteur Marcel Neeleman, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Santa Cruz. "Het is niet waar de stervorming is, en om zoveel gas te zien dat ver van het stervormingsgebied betekent dat er een grote hoeveelheid neutrale waterstof rond de melkweg is, ' zei Neeleman. 'We weten niet of het in een grote, verlengde schijf van gas die naar binnen valt, of als het gewoon een heel dichte halo van gas rond de melkweg is."

Absorptie van licht van een achtergrondquasar onthult concentraties van neutraal waterstofgas in 'gedempte Lyman-alpha'-systemen. Nieuwe waarnemingen van twee systemen onthulden de bijbehorende sterrenstelsels. Zoals te zien is in deze afbeelding met valse kleuren, het gas wordt gedetecteerd op een verrassende afstand van het stervormingsgebied, wat wijst op een grote halo of uitgebreide schijf van gas rond de melkweg. In dit systeem, de scheiding is ongeveer 137, 000 lichtjaar (42 kiloparsec). Krediet:M. Neeleman

Het emissiespectrum van een van de sterrenstelsels wijst wel op de aanwezigheid van een roterende schijf, merkte Prochaska op. "Deze sterrenstelsels lijken enorm te zijn, stoffig, en snel stervormende systemen, met grote, uitgebreide lagen gas, " zei hij. "Deze waarnemingen geven ons een geweldig inzicht in hoe sterrenstelsels zoals onze Melkweg er 13 miljard jaar geleden uitzagen."

Voor Prochaska, de paper vertegenwoordigt het hoogtepunt van een zoektocht die hij in 2003 begon met zijn Ph.D. adviseur bij UC San Diego, wijlen Arthur M. Wolfe (ook co-auteur van de krant). Wolfe pionierde met het gebruik van quasar-spectra om concentraties van neutraal waterstofgas in het verre heelal te bestuderen. bekend als gedempte Lyman-alpha (DLA) -systemen vanwege de karakteristieke absorptiekenmerken die de waterstofgasafdrukken op het licht van de achtergrondquasar maken. Wolfe zag ook het potentieel voor ALMA om emissies van deze systemen te detecteren lang voordat het radioobservatorium in 2011 voltooid was.

"We willen dit al 14 jaar doen, "Zei Prochaska. "De 'heilige graal' was het identificeren en bestuderen van de sterrenstelsels die het waterstofgas bevatten dat we in quasar-spectra zien, en er was een faciliteit voor nodig met de capaciteiten van ALMA om het te doen."

De onderzoekers gebruikten ALMA om te zoeken naar ver-infrarood emissiesignaturen van de sterrenstelsels waarvan ze wisten dat ze konden worden onderscheiden van het heldere licht van de quasars. Geïoniseerde koolstof zendt een heldere spectraallijn uit met een karakteristieke golflengte in het infrarood (158 micron), die astronomen kunnen gebruiken als een tracer van galactische structuur in het verre heelal. De onderzoekers observeerden ook emissies van stof in het verre infrarood, waardoor ze de stervormingssnelheden konden schatten.

Absorptie van licht van een achtergrondquasar onthult concentraties van neutraal waterstofgas in 'gedempte Lyman-alpha'-systemen. Nieuwe waarnemingen van twee systemen onthulden de bijbehorende sterrenstelsels. Zoals te zien is in deze afbeelding met valse kleuren, het gas wordt gedetecteerd op een verrassende afstand van het stervormingsgebied, wat wijst op een grote halo of uitgebreide schijf van gas rond de melkweg. In dit systeem, de scheiding is ongeveer 59, 000 lichtjaar (18 kiloparsec). Krediet:M. Neeleman

ALMA's configureerbare reeks radioantennes stelde de astronomen in staat om hun zoektocht naar melkwegemissies te concentreren in het gebied rond elk van de twee DLA's, op een afstand van ongeveer 13 miljard lichtjaar. Van die afstand, het licht dat nu telescopen bereikt, geeft astronomen een glimp van een vroeg stadium van de vorming van sterrenstelsels, ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal.

"Dit is het tijdperk waarin sterrenstelsels echt begonnen op te stijgen in termen van stervorming - een soort puberale groeispurt voordat ze de piek van stervorming ongeveer 2 miljard jaar later bereikten, ' zei Prochaska.

De waarnemingen geven aan dat beide sterrenstelsels sterren vormen met matig hoge snelheid, met een stervormingssnelheid van meer dan 100 zonsmassa's per jaar voor het ene sterrenstelsel en ongeveer 25 zonsmassa's per jaar voor het andere. De scheiding van de quasar was ongeveer 137, 000 lichtjaar (42 kiloparsec) voor één melkwegstelsel en ongeveer 59, 000 lichtjaar (18 kiloparsec) voor de andere.

Volgens Neeleman astronomen hebben aangenomen dat het detecteren van licht dat wordt uitgestraald door de sterrenstelsels die DLA's hosten, moeilijk is omdat het verborgen is in het intense licht van de achtergrondquasars. Gezien de grote scheiding van deze sterrenstelsels van hun geassocieerde quasars, echter, het kan zijn dat ze in plaats daarvan worden verduisterd door stof, hij zei. Met ALMA, de onderzoekers waren in staat om het sterlicht te detecteren dat door het stof werd geabsorbeerd en opnieuw uitgestraald op langere golflengten.

Prochaska zei dat hij uitkijkt naar het verkrijgen van soortgelijke waarnemingen van een veel grotere steekproef van sterrenstelsels in de komende jaren.