Een team onder leiding van onderzoekers van de Osaka Sangyo University, met leden van Tohoku University, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) en anderen, heeft de Suprime-Cam op de Subaru-telescoop gebruikt om de meest uitgebreide kaart van neutraal waterstofgas in het vroege heelal te maken. Deze wolk lijkt wijd verspreid over 160 miljoen lichtjaar in en rond een structuur die de proto-supercluster wordt genoemd. Het is de grootste structuur in het verre heelal, en bestond zo'n 11,5 miljard jaar geleden. Zo'n enorme gaswolk is uiterst waardevol voor het bestuderen van grootschalige structuurvorming en de evolutie van sterrenstelsels uit gas in het vroege heelal, en verdient nader onderzoek.

"We zijn verrast omdat de dichte gasstructuur veel meer wordt uitgebreid dan verwacht in de proto-supercluster, " zei Dr. Mawatari. "Breder veldobservaties met smalbandfilters zijn nodig om een ​​volledig beeld te krijgen van deze grootste structuur in het jonge heelal. Dit is precies het soort sterk onderzoek dat gedaan kan worden met de Hyper Suprime-Cam (HSC) die onlangs op de Subaru Telescope is gemonteerd. We zijn van plan de relatie tussen gas en sterrenstelsel in verschillende proto-superclusters te bestuderen met behulp van de HSC."

De verdeling van materie in het heelal begrijpen

Sterren verzameld om sterrenstelsels te vormen, en sterrenstelsels zijn geclusterd om grotere structuren te vormen, zoals clusters of superclusters. Materie in het huidige heelal is hiërarchisch gestructureerd op schalen van ~ 100 miljoen lichtjaar. Echter, we kunnen geen inhomogene structuur in welke richting of afstand dan ook waarnemen over schalen die groter zijn dan dat. Een belangrijk punt in de moderne astronomie is om te verduidelijken hoe perfect de uniformiteit en homogeniteit op grote schaal in de verdeling van materie wordt gehandhaafd. In aanvulling, astronomen proberen de eigenschappen van de zaden van grootschalige structuren (d.w.z. de aanvankelijke materiefluctuaties) die aan het begin van het heelal bestonden. Dus, het is belangrijk om enorme structuren te observeren in verschillende tijdperken (wat zich vertaalt naar afstanden). De studie van gasvormige materie en sterrenstelsels is nodig voor een nauwkeurig en uitgebreid begrip. Dit komt omdat bekend is dat lokale superclusters rijk aan gas zijn. Verder, het is duidelijk dat er veel pasgeboren sterrenstelsels zijn in oude (of verre) clusters. Een gedetailleerde vergelijking tussen de ruimtelijke verdelingen van sterrenstelsels en gas tijdens de vroege tijdperken van het heelal is erg belangrijk om het proces van de vorming van sterrenstelsels uit de vage (weinig licht-emitterende) gasmassa's in het vroege heelal te begrijpen.

Om vroegtijdig te kunnen onderzoeken, vage gaswolken, astronomen profiteren van het feit dat licht van heldere verre objecten wordt gedimd door voorgrondgas (wat een effect geeft als een "schaduwbeeld"). Omdat neutrale waterstof in de gaswolk licht van achtergrondobjecten met een bepaalde golflengte absorbeert en dimt, we kunnen een karakteristieke absorptiefunctie zien in het spectrum van het achtergrondobject. In veel eerdere observaties onderzoekers gebruikten quasars (die erg helder en ver weg zijn) als achtergrondlichtbronnen. Omdat heldere quasars erg zeldzaam zijn, de mogelijkheden voor dergelijke waarnemingen zijn beperkt. Hierdoor kunnen astronomen informatie krijgen over het gas dat zich alleen langs de zichtlijn tussen een enkel QSO en de aarde in een groot onderzoeksgebied bevindt. Het is lang het doel geweest om "multidimensionale" informatie over gas (bijv. de gaswolken ruimtelijk oplossen) in plaats van de "eendimensionale" weergave die momenteel beschikbaar is. Dit vraagt ​​om een ​​nieuwe aanpak.

De weergave uitbreiden

Om hun blik op deze objecten in het vroege heelal te verbreden, Dr. Ken Mawatari van de Osaka Sangyo University en zijn collega's hebben onlangs een schema ontwikkeld om de ruimtelijke verdeling van het neutrale waterstofgas te analyseren met behulp van beeldgegevens van sterrenstelsels uit het verre tijdperk. Deze aanpak heeft twee grote voordelen. Eerst, in plaats van zeldzame quasars, het team gebruikt tal van normale sterrenstelsels als achtergrondlichtbronnen om de gasverdeling op verschillende plaatsen in het zoekgebied te onderzoeken. Tweede, ze gebruiken beeldgegevens die zijn genomen met het smalbandfilter op Suprime-cam. Het is zo afgesteld dat licht met bepaalde golflengten kan worden doorgelaten, om bewijs van absorptie door het neutrale waterstofgas vast te leggen (het schaduwbeeldeffect). Vergeleken met het traditionele observatieschema op basis van spectroscopie van quasars, deze nieuwe methode stelt Mawatari en zijn medewerkers in staat om relatief snel informatie over de gasdistributie over een groot gebied te verkrijgen.

De onderzoekers pasten hun schema toe op de Suprime-Cam-beeldvormingsgegevens van de Subaru Telescope die werden genomen in hun vorige grote overzicht van sterrenstelsels. De in dit werk onderzochte velden omvatten het SSA22-veld, een voorouder van een supercluster van sterrenstelsels (proto-supercluster), waar jonge sterrenstelsels actief worden gevormd, in het heelal 11,5 miljard jaar geleden in het vroege heelal.

Nieuwe kaarten van neutrale waterstofdistributie

Het werk van de onderzoekers resulteerde in zeer brede kaarten van het neutrale waterstofgas in de drie onderzochte velden. Het blijkt dat de absorptie van neutrale waterstofgas significant sterk is over het gehele SSA22 proto-superclusterveld vergeleken met die in de normale velden (SXDS en GOODS-N). Het is duidelijk bevestigd dat de proto-superclusteromgeving rijk is aan neutraal waterstofgas, dat is de belangrijkste bouwsteen van sterrenstelsels.

Het werk van het team onthulde ook dat de gasdistributie in het proto-superclustergebied niet perfect overeenkomt met de distributie van de sterrenstelsels. Terwijl de proto-supercluster rijk is aan zowel sterrenstelsels als gas, er is geen lokale afhankelijkheid van de hoeveelheid gas die gecorreleerd is met de dichtheid van sterrenstelsels in de proto-supercluster. Dit resultaat kan betekenen dat het neutrale waterstofgas niet alleen wordt geassocieerd met de afzonderlijke sterrenstelsels, maar zich ook diffuus verspreidt over de intergalactische ruimte alleen binnen de proto-supercluster. Aangezien de overmaat aan neutraal waterstofgas in het SSA22-veld over het gehele gezochte gebied wordt gedetecteerd, deze overdichte gasstructuur is in feite meer dan 160 miljoen lichtjaar verlengd. In de traditionele kijk op structuurvorming, Aangenomen wordt dat fluctuatie in de materiedichtheid kleiner is en dat grootschalige structuren met hoge dichtheid zeldzamer waren in het vroege heelal. De ontdekking dat een gasstructuur die zich uitstrekt over meer dan 160 miljoen lichtjaar (wat ongeveer hetzelfde is als de huidige superclusters in schaal) al 11,5 miljard jaar geleden in het universum bestond, is een verrassend resultaat van dit onderzoek.

Door de ruimtelijke verdeling van het neutrale waterstofgas in een zeer groot gebied te onderzoeken, de onderzoekers hebben een nieuw venster gegeven op de relatie tussen gas en sterrenstelsels in het jonge heelal. De enorme gasstructuur SSA22 die door dit werk wordt onthuld, wordt beschouwd als een belangrijk object om de standaardtheorie van structuurvorming te testen, en dus wordt nader onderzoek verwacht.