Een onderzoeksgroep onder leiding van de Universiteit van Hiroshima heeft een foto onthuld van het toenemende aantal massieve stervormende sterrenstelsels in het verre heelal. Enorme stervormende sterrenstelsels in het verre heelal, ongeveer 5 miljard jaar geleden, grootschalige structuur in het universum traceren. In het nabije heelal, ongeveer 3 miljard jaar geleden, massieve stervormende sterrenstelsels zijn niet zichtbaar. Deze verandering in de manier waarop stervormende sterrenstelsels de materieverdeling volgen, komt overeen met het beeld van de evolutie van sterrenstelsels dat door andere onafhankelijke studies is vastgesteld.

Sterrenstelsels in het heelal volgen patronen op zeer grote schalen; er zijn grote lege gebieden ("leegtes" genoemd) en dichte gebieden waar de sterrenstelsels bestaan. Deze verdeling wordt het kosmische web genoemd. De meest massieve concentraties van sterrenstelsels zijn clusters. De vorming van het kosmische web wordt bepaald door de werking van de zwaartekracht op de onzichtbare mysterieuze "donkere materie" die in het hele universum bestaat. Het normale baryonische materiaal dat je kunt zien, valt in de halo's van donkere materie en vormt sterrenstelsels. De werking van de zwaartekracht gedurende ongeveer 14 miljard jaar geschiedenis van het universum zorgt ervoor dat de halo's samenklonteren. De locatie van sterrenstelsels of clusters in dit enorme kosmische web test ons begrip van de manier waarop structuren in het universum worden gevormd.

Meer en meer, diepere en uitgebreidere waarnemingen met telescopen zoals Subaru Telescope geven een duidelijker beeld van de manier waarop sterrenstelsels evolueren binnen het kosmische web. Natuurlijk, men kan de donkere materie niet direct zien. Echter, men kan de sterrenstelsels die worden gezien gebruiken om de donkere materie te traceren. Het is ook mogelijk om de manier te gebruiken waarop de zwaartekracht van clusters van sterrenstelsels verder weg gelegen achtergrondstelsels vervormt, zwakke zwaartekracht lensing, als een andere spoorzoeker.

De Hiroshima-groep combineerde deze twee tracers:sterrenstelsels en hun zwakke lenssignaal om de veranderende rol van massieve stervormende sterrenstelsels in kaart te brengen naarmate het universum evolueert.

Zwakke lensing is een fenomeen dat een krachtige techniek biedt om de veranderende bijdrage van stervormende sterrenstelsels als tracers van het kosmische web in kaart te brengen. Het cluster van sterrenstelsels en de omringende halo van donkere materie fungeren als een zwaartekrachtlens. De lens buigt het licht van verder weg gelegen sterrenstelsels en vervormt de beelden ervan. De vervormingen van het uiterlijk van de achtergrondstelsels zorgen voor een tweedimensionaal beeld van de verdeling van donkere materie op de voorgrond die als een enorme lens fungeert. De uitstekende beeldvorming van de Subaru-telescoop die grote delen van de hemel bestrijkt, levert precies de gegevens op die nodig zijn om kaarten van deze zwakke lensing te maken.

Dr. Yousuke Utsumi, een lid van het Hyper Suprime-Cam-bouwteam en een projectassistent-professor aan de Universiteit van Hiroshima, voerde een 1-uur durende observatie uit van een 4-deg2 stuk lucht in de richting van het sterrenbeeld Kreeft. Figuur 1 toont een close-up van een cluster van sterrenstelsels met de zwakke lensing-kaart die de materieverdeling volgt. De hoogste toppen op de kaarten komen overeen met de massieve clusters van sterrenstelsels op de voorgrond die 5 miljard lichtjaar van ons verwijderd zijn.

Om de driedimensionale verdeling van de voorgrondstelsels in kaart te brengen, spectrografen op grote telescopen zoals de 6,5 meter MMT verspreiden het licht met een rooster. Door de uitdijing van het heelal verschuift het licht naar het rood en door deze verschuiving te meten meet men de afstanden tot de sterrenstelsels. Met behulp van spectroscopie worden de sterrenstelsels in het kosmische web geplaatst. De waarnemingen lokaliseren stervormende sterrenstelsels en sterrenstelsels die geen sterren meer vormen.

Medewerkers onder leiding van Dr. Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) voerden spectroscopische metingen uit voor sterrenstelsels. Het Hectospec-instrument op de MMT maakt metingen van roodverschuivingen voor 250 sterrenstelsels tegelijk mogelijk. De enquête bevat metingen voor 12, 000 sterrenstelsels.

Het MMT-roodverschuivingsonderzoek biedt de kaart voor de manier waarop alle soorten sterrenstelsels kunnen bijdragen aan de zwakke lensing-kaart. Omdat het MMT-onderzoek afstanden tot de sterrenstelsels geeft, Er kunnen ook plakjes van de kaart op verschillende afstanden worden gemaakt die overeenkomen met verschillende tijdperken in de geschiedenis van het heelal en deze kunnen worden vergeleken met de lenskaart.

Het MMT-onderzoek biedt een voorspelde kaart van het kosmische web op basis van de posities van sterrenstelsels in de driedimensionale ruimte. Het onderzoeksteam vergeleek deze kaart met de zwakke lenskaart om de overeenkomsten te ontdekken. Figuur 2 laat zien dat zowel de hoogste piek als de grootste lege regio's vergelijkbaar zijn in de twee kaarten. Met andere woorden, de materieverdeling die door de voorgrondstelsels wordt getraceerd en de verdeling die wordt gevolgd door de Subaru-kaart met zwakke lenzen zijn vergelijkbaar. Er zijn twee complementaire weergaven van het kosmische web in dit stukje van het universum.

Als ze de driedimensionale kaart opdelen in verschillende roodverschuivings- of tijdplakken, ze kunnen onderzoeken hoe de overeenkomst tussen deze kaarten en de zwakke lenskaart verandert voor verschillende segmenten (Figuur 3). Opmerkelijk, de verdeling van stervormende sterrenstelsels rond een cluster van sterrenstelsels in het verder weg gelegen heelal (5 miljard jaar geleden) komt veel beter overeen met de zwakke lensing-kaart dan een deel van het meer nabije heelal (3 miljard jaar geleden). Met andere woorden, de bijdrage van stervormende sterrenstelsels aan het kosmische web is prominenter aanwezig in het verre heelal. Deze kaarten zijn de eerste demonstratie van dit effect in het zwakke lenssignaal (Figuur 4).

Het onderzoeksteam biedt een nieuw venster op de evolutie van sterrenstelsels door de driedimensionale distributie van sterrenstelsels in kaart te brengen met een roodverschuivingsonderzoek, inclusief stervormende sterrenstelsels, met een zwakke lenskaart op basis van Subaru-beeldvorming.

"Het blijkt dat de bijdrage van stervormende sterrenstelsels als tracers van de massaverdeling in het verre heelal niet te verwaarlozen is, " zei Dr. Utsumi. "De kaart met zwakke lenzen van HSC zou signalen moeten bevatten van verder weg gelegen sterrenstelsels in het 8 miljard jaar oude universum. Diepere roodverschuivingsonderzoeken in combinatie met vergelijkbare kaarten met zwakke lenzen zouden een nog grotere bijdrage van stervormende sterrenstelsels als tracers van de materieverdeling in dit hogere roodverschuivingsbereik moeten onthullen. Met behulp van de volgende generatie spectrograaf voor de Subaru-telescoop, Prime Focus Spectrograaf (PFS), we hopen onze kaarten uit te breiden naar het interessante tijdperk."