Melkwegstelsels in het jonge universum vormden sterren met een snelheid van 10 tot 50 keer sneller dan hun hedendaagse tegenhangers, zoals onze Melkweg. Een recent onderzoek heeft uitgewezen dat het niet alleen maar opgeschaalde versies waren van stervormingsgebieden die we tegenwoordig zien. In plaats daarvan, UCLA-professor Matthew Malkan en verschillende medewerkers hebben ontdekt dat de vroegste sterrenstelsels "groen werden".

"De ontdekking dat jonge sterrenstelsels zo onverwacht helder zijn - als je op zoek bent naar dit kenmerkende groene licht - zal de manier waarop we de vorming van sterrenstelsels in de geschiedenis van het universum bestuderen drastisch veranderen en verbeteren, ' zei Malkan.

De astronomen ontdekten een verbazingwekkend aantal verre sterrenstelsels waarvan de sterkste emissielijn afkomstig is van dubbel geïoniseerde zuurstof. Zijn golflengte in het groene gebied van het elektromagnetische spectrum maakt de opvallende kleur die ook wordt gezien in zogenaamde "planetaire" nevels (verkeerd genoemd omdat hun groenachtige kleur lijkt op die van planeten Uranus en Neptunus, maar om totaal andere redenen).

Dit was verrassend omdat de huidige stervormingsgebieden, zoals de nabije Orionnevel, een roze gloed geven, die afkomstig is van waterstofatomen - verreweg het meest voorkomende element in het universum. Pasgeboren sterren zijn ingebed in de gaswolken waaruit ze onlangs zijn geboren. Ultraviolette fotonen van die jonge sterren bestralen de atomen in het gas, waardoor ze opwarmen en elektronen verliezen - een proces dat foto-ionisatie wordt genoemd. Dit hete geïoniseerde gas straalt vervolgens een onderscheidend patroon van kleuren licht uit. De sterkste kleur is bijna altijd het roze licht van verwarmde waterstofatomen.

Maar er was iets ongewoons aan de hand in de vroege generaties van stervorming, slechts één of twee miljard jaar na de oerknal. De zuurstofatomen in hun omringende gaswolken hebben twee elektronen verloren, in plaats van de gebruikelijke. Het uitschakelen van dat tweede elektron kost veel energie. Dit kan alleen met extreem energetische fotonen (bijna in het röntgenbereik). Weinig zulke hoogenergetische fotonen worden geproduceerd door de jonge sterren die we tegenwoordig in Orion of ergens anders in de Melkweg of andere moderne sterrenstelsels zien.

Ze ZIJN geproduceerd door een paar veel hetere sterren, zoals die kort in de centra van de "planetaire" nevel zijn gevonden (rechterfoto hierboven). Maar zulke extreme omstandigheden worden tegenwoordig alleen in minder dan een honderdste van een procent van de sterrenstelsels in het hele melkwegstelsel gezien. Genaamd "groene erwten, " deze groenachtige dwerg starburst-sterrenstelsels werden ontdekt door het Galaxy Zoo-project. De verklaring waarom het jonge universum groen werd - maar toen stopte - wordt nog steeds intensief onderzocht. Malkan en collega's vermoeden dat dit komt omdat jonge sterren in de eerdere fasen heter waren van de evolutie van sterrenstelsels. Meer van hen leken in feite op de zeer hete (T> 50, 000°C) centrale sterren in planetaire nevels (maar met een heel verschillende oorsprong).

Een recente analyse van vele duizenden verre sterrenstelsels in het Subaru Deep Field met afgestudeerde student Daniel Cohen vond dat ALLE kleine sterrenstelsels verrassend sterke emitters zijn van de groene emissielijn van dubbel geïoniseerde zuurstof. Door het gemiddelde te nemen van gegevens voor zo'n groot aantal sterrenstelsels, ze verkregen de eerste nauwkeurige metingen van de dwergstelsels die extreem zwak zijn, maar verreweg de meest voorkomende in het jonge universum. De bijgaande figuur toont een gemiddelde van 1, 294 van deze sterrenstelsels met een roodverschuiving van z =3. Deze worden 2 miljard jaar na de oerknal waargenomen, toen het heelal 70 keer zo dicht was als nu. "De O++-emissielijn (die tussen de twee verticale stippellijnen valt) is zo sterk dat hij zelfs het hele infrarode deel van het melkwegspectrum vervormt, die anders sterrenlicht is, ' zei Malkan.

De komende generatie ruimtetelescopen voor kosmologisch onderzoek gaat binnenkort voor dit groen. Vooral, de lancering van NASA's James Webb Space Telescope in 2018, gevolgd door hun WFIRST in 2024 en de voorloper van 2020 van de European Space Agency, EUCLID, zijn allemaal ontworpen om sterrenstelsels in het jonge heelal te onderzoeken via deze groene O++-emissielijn.

Bij de hoge roodverschuivingen van belang, gezien in de eerste 500 miljoen jaar sinds de oerknal, deze "groene" lijn wordt nog verder verschoven naar het infrarode golflengtebereik, zei Malkan. De kou, donkere omgevingen van deze telescopen, en hun nieuwe detectoren, zijn sterk geoptimaliseerd om een ​​ongekende spectroscopische gevoeligheid te bieden voor de sterke O++-emissie bij deze infrarode golflengten.

"Deze ene lijn zal de krachtigste sonde zijn voor de vorming van sterrenstelsels, zodra sterrenstelsels hun eerste sterren en supernova's vormen om zuurstofatomen te produceren, "Zei Malkan. "Het detecteren en bestuderen van de intense groene gloed van de jongste sterrenstelsels (verschoven naar het infrarood) lijkt nu onze beste kans om te leren hoe de eerste sterrenstelsels evolueerden."

Malkan bespreekt dit onderzoek vandaag tijdens de 229e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Grapevine, Texas.