Astronomen van het MIT en elders hebben een enorme cluster van sterrenstelsels gebruikt als röntgenvergrootglas om terug in de tijd te kijken, tot bijna 9,4 miljard jaar geleden. In het proces, ze zagen een klein dwergstelsel in zijn allereerste, hoogenergetische stadia van stervorming.

Hoewel clusters van sterrenstelsels zijn gebruikt om objecten op optische golflengten te vergroten, dit is de eerste keer dat wetenschappers deze enorme zwaartekrachtreuzen hebben gebruikt om in te zoomen op extreme, afstandelijk, Röntgen-emitterende verschijnselen.

Wat ze ontdekten lijkt een blauwe stip te zijn van een melkwegstelsel, ongeveer 1/10, 000 zo groot als onze Melkweg, in het midden van het karnen van zijn eerste sterren - superzware, kosmisch kortlevende objecten die hoogenergetische röntgenstraling uitzenden, die de onderzoekers ontdekten in de vorm van een helderblauwe boog.

"Het is deze kleine blauwe vlek, wat betekent dat het een heel klein sterrenstelsel is dat veel superhete, zeer massieve jonge sterren die onlangs zijn gevormd, " zegt Matthew Bayliss, een onderzoekswetenschapper in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Dit sterrenstelsel is vergelijkbaar met de allereerste sterrenstelsels die in het universum zijn gevormd ... het soort dat nog nooit eerder in het verre universum op röntgenfoto's is gezien."

Bayliss zegt dat de ontdekking van deze single, verre melkwegstelsel is het bewijs dat wetenschappers clusters van sterrenstelsels kunnen gebruiken als natuurlijke röntgenvergroters, extreem uitkiezen, zeer energetische verschijnselen in de vroege geschiedenis van het universum.

"Met deze techniek we konden, in de toekomst, zoom in op een ver sterrenstelsel en dateer verschillende delen ervan - om te zeggen:dit deel heeft sterren die 200 miljoen jaar geleden zijn gevormd, versus een ander deel dat 50 miljoen jaar geleden werd gevormd, en ze uit elkaar halen op een manier die je anders niet kunt doen, " zegt Bayliss, die naar de Universiteit van Cincinnati zal gaan als assistent-professor natuurkunde.

Hij en zijn co-auteurs, waaronder Michael McDonald, assistent-professor natuurkunde aan het MIT, hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Natuurastronomie .

Een kaars in het licht

Melkwegclusters zijn de meest massieve objecten in het universum, samengesteld uit duizenden sterrenstelsels, allemaal samengebonden door de zwaartekracht als één enorm, krachtige macht. Melkwegclusters zijn zo enorm, en hun aantrekkingskracht is zo sterk, dat ze het weefsel van ruimte-tijd kunnen vervormen, het heelal en het omringende licht buigen, net zoals een olifant een trapezenet zou uitrekken en kromtrekken.

Wetenschappers hebben clusters van sterrenstelsels gebruikt als kosmische vergrootglazen, met een techniek die bekend staat als zwaartekrachtlensing. Het idee is dat als wetenschappers de massa van een cluster van sterrenstelsels kunnen benaderen, ze kunnen de zwaartekrachtseffecten op elk omringend licht schatten, evenals de hoek waaronder een cluster dat licht kan afbuigen.

Bijvoorbeeld, stel je voor dat een waarnemer, geconfronteerd met een cluster van sterrenstelsels, probeerden een object te detecteren, zoals een enkel sterrenstelsel, achter dat cluster. Het licht dat door dat object wordt uitgezonden, zou recht naar het cluster reizen, buig dan rond het cluster. Het zou blijven reizen naar de waarnemer, hoewel in iets andere hoeken, verschijnen voor de waarnemer als gespiegelde beelden van hetzelfde object, die uiteindelijk kan worden gecombineerd als een enkele, "vergrote" afbeelding.

Wetenschappers hebben clusters van sterrenstelsels gebruikt om objecten op optische golflengten te vergroten, maar nooit in de röntgenband van het elektromagnetische spectrum, vooral omdat clusters van sterrenstelsels zelf een enorme hoeveelheid röntgenstraling uitzenden. Wetenschappers hebben gedacht dat röntgenstraling afkomstig van een achtergrondbron onmogelijk te onderscheiden zou zijn van de eigen schittering van het cluster.

"Als je een röntgenbron achter een cluster probeert te zien, het is alsof je een kaars probeert te zien naast een heel helder licht, " zegt Bayliss. "Dus we wisten dat dit een uitdagende meting was om te maken."

X-ray aftrekking

De onderzoekers vroegen zich af:konden ze dat felle licht aftrekken en de kaars erachter zien? Met andere woorden, kunnen ze de röntgenstraling van de melkwegcluster verwijderen, om de veel zwakkere röntgenstralen van een object te zien, achter en vergroot door het cluster?

Het team testte dit idee met waarnemingen van NASA's Chandra X-ray Observatory, een van 's werelds krachtigste röntgenruimtetelescopen. Ze keken in het bijzonder naar Chandra's metingen van de Phoenix-cluster, een verre melkwegcluster op 5,7 miljard lichtjaar van de aarde, die naar schatting ongeveer een biljard keer zo zwaar is als de zon, met zwaartekrachteffecten die het een krachtig, natuurlijke vergrotende lens.

"Het idee is om te nemen wat je beste röntgentelescoop is - in dit geval, Chandra—en gebruik een natuurlijke lens om Chandra te vergroten en effectief groter te maken, zodat je verder weg gelegen dingen kunt zien, ' zegt Baylis.

Hij en zijn collega's analyseerden waarnemingen van de Phoenix-cluster, gedurende meer dan een maand continu ingenomen door Chandra. Ze keken ook naar beelden van de cluster, gemaakt door twee optische en infraroodtelescopen:de Hubble-ruimtetelescoop en de Magellan-telescoop in Chili. Met al deze verschillende opvattingen, het team ontwikkelde een model om de optische effecten van het cluster te karakteriseren, waarmee de onderzoekers de röntgenstraling van het cluster zelf nauwkeurig konden meten, en trek het af van de gegevens.

Ze bleven achter met twee vergelijkbare patronen van röntgenstraling rond het cluster, waarvan ze vaststelden dat ze "gelenzend waren, " of door zwaartekracht gebogen, door het cluster. Toen ze de emissies terug in de tijd traceerden, ze ontdekten dat ze allemaal voortkwamen uit een enkele, verre bron:een klein dwergstelsel van 9,4 miljard jaar geleden, toen het universum zelf ongeveer 4,4 miljard jaar oud was - ongeveer een derde van zijn huidige leeftijd.

"Eerder, Chandra had op deze afstand maar een handvol dingen gezien, " zegt Bayliss. "In minder dan 10 procent van de gevallen, we hebben dit object ontdekt, even ver weg. En zwaartekrachtlensing is wat ons dat laat doen."

De combinatie van Chandra en de natuurlijke lenskracht van het Phoenix-cluster stelde het team in staat om het kleine sterrenstelsel te zien dat zich achter het cluster verschuilde. ongeveer 60 keer vergroot. Bij deze resolutie ze waren in staat om in te zoomen om twee verschillende groepen in de melkweg te onderscheiden, de ene produceert veel meer röntgenstralen dan de andere.

Aangezien röntgenstralen doorgaans worden geproduceerd tijdens extreme, kortstondige verschijnselen, de onderzoekers geloven dat de eerste röntgenrijke klomp een signaal is van een deel van het dwergstelsel dat zeer recent superzware sterren heeft gevormd, terwijl het rustigere gebied een ouder gebied is dat meer volwassen sterren bevat.

"We vangen deze melkweg in een zeer nuttige fase, waar het deze echt jonge sterren heeft, " zegt Bayliss. "Elk sterrenstelsel moest in deze fase beginnen, maar we zien niet veel van dit soort sterrenstelsels in onze eigen buurt. Nu kunnen we terug in de tijd, kijk in het verre heelal, sterrenstelsels vinden in deze vroege fase van hun leven, en begin te bestuderen hoe stervorming daar anders is."