Massieve sterrenstelsels waren al veel volwassener in het vroege heelal dan eerder werd verwacht. Dat heeft een internationaal team van astronomen aangetoond dat 118 verre sterrenstelsels heeft bestudeerd met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

De meeste sterrenstelsels zijn ontstaan ​​toen het heelal nog erg jong was. Onze eigen melkweg, bijvoorbeeld, waarschijnlijk begon te vormen 13,6 miljard jaar geleden, in ons 13,8 miljard jaar oude universum. Toen het heelal nog maar tien procent van zijn huidige leeftijd had (1-1,5 miljard jaar na de oerknal), de meeste sterrenstelsels beleefden een "groeispurt". Gedurende deze periode, ze bouwden het grootste deel van hun stellaire massa en andere eigenschappen op, zoals stof, zwaar element inhoud, en spiraalvormige schijfvormen, die we in de huidige sterrenstelsels zien. Daarom, als we willen weten hoe sterrenstelsels zoals onze Melkweg zijn gevormd, het is belangrijk om dit tijdperk te bestuderen.

In een onderzoek genaamd ALPINE (het ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times), een internationaal team van astronomen bestudeerde 118 sterrenstelsels die zo'n 'groeispurt' doormaakten in het vroege heelal. "Tot onze verbazing velen van hen waren veel volwassener dan we hadden verwacht, " zei Andreas Faisst van het Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) van het California Institute of Technology (Caltech).

Sterrenstelsels worden als meer "volwassen" dan "oer" beschouwd als ze een aanzienlijke hoeveelheid stof en zware elementen bevatten. "We hadden niet verwacht zoveel stof en zware elementen te zien in deze verre sterrenstelsels, " zei Faisst. Stof en zware elementen (door astronomen gedefinieerd als alle elementen zwaarder dan waterstof en helium) worden beschouwd als een bijproduct van stervende sterren. Maar sterrenstelsels in het vroege heelal hebben nog niet veel tijd gehad om sterren te bouwen, dus astronomen verwachten daar ook niet veel stof of zware elementen te zien.

"Uit eerdere onderzoeken begrepen we dat zulke jonge sterrenstelsels stofarm zijn, " zei Daniel Schaerer van de Universiteit van Genève in Zwitserland. "Echter, we zien dat ongeveer 20 procent van de sterrenstelsels die zich tijdens dit vroege tijdperk hebben verzameld, al erg stoffig zijn en een aanzienlijk deel van het ultraviolette licht van pasgeboren sterren wordt al verborgen door dit stof, " hij voegde toe.

Veel van de sterrenstelsels werden ook als relatief volwassen beschouwd omdat ze een diversiteit in hun structuren vertoonden, inclusief de eerste tekenen van door rotatie ondersteunde schijven - wat later zou kunnen leiden tot sterrenstelsels met een spiraalstructuur zoals wordt waargenomen in sterrenstelsels zoals onze Melkweg. Astronomen verwachten over het algemeen dat sterrenstelsels in het vroege heelal op treinwrakken lijken omdat ze vaak botsen. "We zien veel sterrenstelsels die botsen, maar we zien er ook een aantal ordelijk ronddraaien zonder tekenen van botsingen, " zei John Silverman van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Japan.

ALMA heeft eerder zeer verre sterrenstelsels gezien, zoals MAMBO-9 (een zeer stoffig sterrenstelsel) en de Wolfe Disk (een sterrenstelsel met een roterende schijf). Maar het was moeilijk te zeggen of deze ontdekkingen uniek waren, of dat er meer sterrenstelsels zoals zij waren. ALPINE is het eerste onderzoek waarmee astronomen een aanzienlijk aantal sterrenstelsels in het vroege heelal konden bestuderen, en het laat zien dat ze misschien sneller evolueren dan verwacht. Maar de wetenschappers begrijpen nog niet hoe deze sterrenstelsels zo snel opgroeiden, en waarom sommigen van hen al draaiende schijven hebben.

Waarnemingen van ALMA waren cruciaal voor dit onderzoek omdat de radiotelescoop de stervorming kan zien die verborgen is door stof en de beweging kan volgen van gas dat wordt uitgestoten uit stervormingsgebieden. Bij het onderzoeken van sterrenstelsels in het vroege heelal worden gewoonlijk optische en infraroodtelescopen gebruikt. Deze maken het meten van de onbelemmerde stervorming en stermassa's mogelijk. Echter, deze telescopen hebben moeite met het meten van door stof verduisterde gebieden, waar sterren worden gevormd, of de bewegingen van gas in deze sterrenstelsels. En soms zien ze helemaal geen melkwegstelsel. "Met ALMA hebben we voor het eerst een paar verre sterrenstelsels ontdekt. ​​We noemen deze Hubble-donker omdat ze zelfs met de Hubble-telescoop niet konden worden gedetecteerd, " zei Lin Yan van Caltech.

Voor meer informatie over verre sterrenstelsels, de astronomen willen ALMA voor een langere tijd op afzonderlijke sterrenstelsels richten. "We willen precies zien waar het stof is en hoe het gas zich verplaatst. We willen de stoffige sterrenstelsels ook vergelijken met andere op dezelfde afstand en uitzoeken of er iets speciaals is aan hun omgeving, " voegde Paolo Cassata van de Universiteit van Padua in Italië toe, voorheen aan de Universidad de Valparaíso in Chili.

ALPINE is het eerste en grootste multi-golflengteonderzoek van sterrenstelsels in het vroege heelal. Voor een grote steekproef van sterrenstelsels verzamelde het team metingen in de optische (inclusief Subaru, UITZICHT, Hubble, Keck en VLT), infrarood (Spitzer), en radio (ALMA). Studies over meerdere golflengten zijn nodig om een ​​volledig beeld te krijgen van de opbouw van sterrenstelsels. "Zo'n groot en complex onderzoek is alleen mogelijk dankzij de samenwerking tussen meerdere instituten over de hele wereld, " zei Matthieu Béthermin van het Laboratoire d'Astrophysique de Marseille in Frankrijk.