Met behulp van gegevens van het MUSE-instrument, onderzoekers van het Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) zijn erin geslaagd om extreem zwakke planetaire nevels in verre sterrenstelsels te detecteren. De gebruikte methode, een filteralgoritme bij de verwerking van beeldgegevens, opent nieuwe mogelijkheden voor kosmische afstandsmeting - en dus ook voor het bepalen van de Hubble-constante.

Planetaire nevels staan ​​in de buurt van de zon bekend als kleurrijke objecten die verschijnen aan het einde van het leven van een ster als deze evolueert van de rode reus naar de witte dwerg:wanneer de ster zijn brandstof voor kernfusie heeft opgebruikt, het blaast zijn gasomhulsel de interstellaire ruimte in, contracten, wordt extreem heet, en prikkelt het uitzettende gasomhulsel om te gloeien. In tegenstelling tot het continue spectrum van de ster, de ionen van bepaalde elementen in dit gasomhulsel, zoals waterstof, zuurstof, helium en neon, zenden alleen licht uit bij bepaalde golflengten. Speciale optische filters die op deze golflengten zijn afgestemd, kunnen de vage nevels zichtbaar maken. Het dichtstbijzijnde object van dit soort in onze Melkweg is de Helixnevel, 650 lichtjaar verwijderd.

Naarmate de afstand van een planetaire nevel toeneemt, de schijnbare diameter in een afbeelding krimpt, en de geïntegreerde schijnbare helderheid neemt af met het kwadraat van de afstand. In ons naburige melkwegstelsel, de Andromedanevel, op een afstand die bijna 4000 keer groter is, de Helixnevel zou alleen zichtbaar zijn als een stip, en zijn schijnbare helderheid zou bijna 15 miljoen keer zwakker zijn. Met moderne grote telescopen en lange belichtingstijden, dergelijke objecten kunnen niettemin worden afgebeeld en gemeten met behulp van optische filters of beeldspectroscopie. Martijn Roth, eerste auteur van de nieuwe studie en hoofd van de innoFSPEC-afdeling bij AIP:"Met behulp van het PMAS-instrument ontwikkeld bij AIP, we zijn erin geslaagd om dit voor het eerst te doen met integrale veldspectroscopie voor een handvol planetaire nevels in de Andromeda Galaxy in 2001-2002 op de 3,5 m telescoop van de Calar Alto Observatory. Echter, het relatief kleine gezichtsveld van PMAS maakte het nog niet mogelijk om een ​​grotere steekproef van objecten te onderzoeken."

Het duurde ruim 20 jaar om deze eerste experimenten verder te ontwikkelen met een krachtiger instrument met een meer dan 50 keer groter gezichtsveld op een veel grotere telescoop. MUSE van de Very Large Telescope in Chili is in de eerste plaats ontwikkeld voor de ontdekking van extreem zwakke objecten aan de rand van het heelal die momenteel voor ons waarneembaar zijn - en heeft voor dit doel spectaculaire resultaten opgeleverd sinds de eerste waarnemingen. Het is precies deze eigenschap die ook een rol speelt bij de detectie van extreem zwakke PN in een ver sterrenstelsel.

Het sterrenstelsel NGC 474 is een bijzonder mooi voorbeeld van een sterrenstelsel dat, door botsing met andere, kleinere sterrenstelsels, heeft een opvallende ringstructuur gevormd van de sterren die door zwaartekrachtseffecten worden verstrooid. Het ligt op ongeveer 110 miljoen lichtjaar afstand, dat is ongeveer 170, 000 keer verder dan de Helixnevel. De schijnbare helderheid van een planetaire nevel in dit sterrenstelsel is daarom bijna 30 miljard keer lager dan die van de Helixnevel en ligt in het bereik van kosmologisch interessante sterrenstelsels waarvoor het team het MUSE-instrument heeft ontworpen.

Een team van onderzoekers van het AIP, samen met collega's uit de VS, heeft een methode ontwikkeld om met MUSE de extreem zwakke signalen van planetaire nevels in verre sterrenstelsels met een hoge gevoeligheid te isoleren en nauwkeurig te meten. Een bijzonder effectief filteralgoritme bij de verwerking van beeldgegevens speelt hierbij een belangrijke rol. Voor het ringstelsel NGC 474, ESO-archiefgegevens waren beschikbaar, gebaseerd op twee zeer diepe MUSE-opnamen met elk 5 uur observatietijd. Het resultaat van de gegevensverwerking:na toepassing van het filteralgoritme, in totaal werden 15 extreem zwakke planetaire nevels zichtbaar.

Deze zeer gevoelige procedure opent een nieuwe methode voor afstandsmeting die geschikt is om bij te dragen aan de oplossing van de momenteel besproken discrepantie in de bepaling van de Hubble-constante. Planetaire nevels hebben de eigenschap dat, fysiek, een bepaalde maximale lichtsterkte kan niet worden overschreden. De verdelingsfunctie van de lichtsterkten van een monster in een sterrenstelsel, d.w.z. de helderheidsfunctie van planetaire nevels (PNLF), breekt af aan het heldere einde. Deze eigenschap is die van een standaard kaars, die kan worden gebruikt om een ​​afstand te berekenen met statistische methoden. De PNLF-methode is al in 1989 ontwikkeld door teamleden George Jacoby (NSF's NOIRLab) en Robin Ciardullo (Penn State University). Het is de afgelopen 30 jaar met succes toegepast op meer dan 50 sterrenstelsels, maar werd beperkt door de tot nu toe gebruikte filtermetingen. Sterrenstelsels met grotere afstanden dan die van de Virgo- of Fornax-clusters waren buiten het bereik. De studie, nu gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , laat zien dat MUSE meer dan twee keer het bereik kan bereiken, waardoor een onafhankelijke meting van de Hubble-constante mogelijk is.