Een uniek nieuw instrument, gekoppeld aan een krachtige telescoop en een beetje hulp van de natuur, heeft onderzoekers de mogelijkheid gegeven om in galactische kraamkamers in het hart van het jonge universum te kijken.

Na de oerknal, zo'n 13,8 miljard jaar geleden, was het vroege heelal gevuld met enorme wolken van neutraal diffuus gas, bekend als Damped Lyman-α-systemen of DLA's. Deze DLA's dienden als galactische kraamkamers, omdat de gassen erin langzaam condenseerden om de vorming van sterren en sterrenstelsels te voeden. Ze kunnen vandaag nog steeds worden waargenomen, maar het is niet gemakkelijk.

"DLA's zijn een sleutel om te begrijpen hoe sterrenstelsels zich in het universum vormen, maar ze zijn meestal moeilijk waar te nemen omdat de wolken te diffuus zijn en zelf geen licht uitstralen", zegt Rongmon Bordoloi, assistent-professor natuurkunde aan de North Carolina State University en corresponderende auteur van het onderzoek.

Momenteel gebruiken astrofysici quasars - superzware zwarte gaten die licht uitstralen - als "achtergrondverlichting" om de DLA-wolken te detecteren. En hoewel onderzoekers met deze methode DLA-locaties kunnen lokaliseren, werkt het licht van de quasars slechts als kleine spiesjes door een enorme wolk, wat de inspanningen om hun totale grootte en massa te meten belemmert.

Maar Bordoloi en John O'Meara, hoofdwetenschapper bij de W.M. Keck Observatory in Kamuela, Hawaii, vond een manier om het probleem te omzeilen door een melkwegstelsel met zwaartekrachtlens en integrale veldspectroscopie te gebruiken om twee DLA's te observeren - en de gaststerrenstelsels erin - die ongeveer 11 miljard jaar geleden werden gevormd, niet lang na de oerknal.

"Galaxies met een zwaartekrachtlens verwijzen naar sterrenstelsels die uitgerekt en helderder lijken", zegt Bordoloi. "Dit komt omdat er een zwaartekracht-zware structuur voor de melkweg is die het licht dat eruit komt afbuigt terwijl het naar ons toe reist. Dus uiteindelijk kijken we naar een uitgebreide versie van het object - het is alsof we een kosmische telescoop gebruiken die de vergroting verhoogt en geeft ons een betere visualisatie.

"Het voordeel hiervan is tweeledig:ten eerste is het achtergrondobject uitgestrekt over de lucht en helder, dus het is gemakkelijk om spectrummetingen te doen op verschillende delen van het object. Ten tweede, omdat lenzen het object verlengen, kun je zeer kleine schalen onderzoeken Als het object bijvoorbeeld één lichtjaar in doorsnede is, kunnen we kleine stukjes in zeer hoge getrouwheid bestuderen."

Spectrummetingen stellen astrofysici in staat om elementen in de diepe ruimte te "zien" die niet zichtbaar zijn voor het blote oog, zoals diffuse gasvormige DLA's en de potentiële sterrenstelsels daarin. Normaal gesproken is het verzamelen van de meetwaarden een lang en moeizaam proces. Maar het team loste dat probleem op door integrale veldspectroscopie uit te voeren met de Keck Cosmic Web Imager.

Dankzij integrale veldspectroscopie konden de onderzoekers een spectrum verkrijgen bij elke afzonderlijke pixel van het deel van de lucht waarop het gericht was, waardoor spectroscopie van een uitgebreid object aan de lucht zeer efficiënt was. Deze innovatie in combinatie met het uitgerekte en verhelderde sterrenstelsel met gravitatielens stelde het team in staat om het diffuse DLA-gas in de lucht in high-fidelity in kaart te brengen. Met deze methode konden de onderzoekers niet alleen de grootte van de twee DLA's bepalen, maar ook dat ze allebei gastheerstelsels bevatten.

"Ik heb het grootste deel van mijn carrière op deze combinatie gewacht:een telescoop en instrument die krachtig genoeg zijn, en de natuur die ons een beetje geluk geeft om niet één maar twee DLA's op een rijke nieuwe manier te bestuderen", zegt O'Meara. "Het is geweldig om de wetenschap tot wasdom te zien komen."

De DLA's zijn trouwens enorm. Met een diameter van meer dan 17,4 kiloparsec zijn ze meer dan tweederde zo groot als het huidige Melkwegstelsel. Ter vergelijking:13 miljard jaar geleden zou een typisch sterrenstelsel een diameter hebben van minder dan 5 kiloparsec. Een parsec is 3,26 lichtjaar en een kiloparsec is 1.000 parsec, dus het zou licht ongeveer 56.723 jaar kosten om door elke DLA te reizen.

"Maar voor mij is het meest verbazingwekkende aan de DLA's die we hebben waargenomen, dat ze niet uniek zijn - ze lijken qua structuur overeenkomsten te hebben, in beide werden gastheerstelsels gedetecteerd en hun massa's geven aan dat ze genoeg brandstof bevatten voor de volgende generatie van stervorming", zegt Bordoloi. "Met deze nieuwe technologie tot onze beschikking kunnen we dieper graven in hoe sterren zich in het vroege heelal hebben gevormd."

Het werk verschijnt in het tijdschrift Nature . + Verder verkennen

Nieuwe methode lost 40 jaar oud mysterie op ter grootte van schimmige sterrenstelsels