Persbericht

ALMA ontdekt zuurstof op recordafstand

16 juni 2016

Een team van astronomen heeft de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ingezet om gloeiende zuurstof te detecteren in een ver sterrenstelsel, dat we zien zoals het er slechts 700 miljoen jaar na de oerknal uitzag. Dit is het verste stelsel ooit waarin met zekerheid zuurstof is gedetecteerd. Het zuurstof is hoogstwaarschijnlijk geïoniseerd door de krachtige straling van jonge reuzensterren. Het sterrenstelsel waar zij deel van uitmaken was mogelijk medeverantwoordelijk voor de kosmische reïonisatie, die vroeg in de geschiedenis van het heelal heeft plaatsgevonden.

Astronomen uit Japan, Zweden, het Verenigd Koninkrijk en van ESO hebben de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om een van de verste sterrenstelsels waar te nemen die we kennen. SXDF-NB1006-2 heeft een roodverschuiving van 7,2, wat betekent dat we het zien zoals het er slechts 700 miljoen jaar na de oerknal uitzag.

Het team wilde meer te weten komen over de zware chemische elementen [1] in het sterrenstelsel, omdat die ons iets kunnen vertellen over de stervormingsactiviteit ervan. En dat levert weer aanwijzingen op over een periode in de geschiedenis van het heelal die bekendstaat als de kosmische reïonisatie.

‘Het zoeken naar zware elementen in het vroege heelal is een onmisbaar hulpmiddel bij het in kaart brengen van de stervormingsactiviteit in deze periode,’ zegt Akio Inoue (Osaka Sangyo Universiteit, Japan), hoofdauteur van het onderzoeksartikel dat in het tijdschrift Science wordt gepubliceerd. ‘Het onderzoek van zware elementen helpt ons ook beter begrijpen hoe sterrenstelsels zijn ontstaan, en wat de kosmische reïonisatie heeft veroorzaakt,’ voegt hij daaraan toe.

In de tijd dat er nog geen objecten bestonden in het heelal, was dat gevuld met elektrisch neutraal gas. Maar toen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal de eerste objecten gingen stralen, begon die krachtige straling de ongeladen atomen af te breken c.q. het gas te ioniseren. Tijdens deze fase, die bekendstaat als de kosmische reïonisatie, veranderde het volledige heelal dramatisch. Maar er bestaat veel discussie over welk soort objecten deze reïonisatie nu precies hebben veroorzaakt. Het onderzoek van de omstandigheden in zeer verre sterrenstelsels kan de knoop helpen doorhakken.

Voordat ze het verre sterrenstelsel begonnen waar te nemen, voerden de onderzoekers computersimulaties uit die voorspelden hoe makkelijk ze sporen van geïoniseerde zuurstof met ALMA zouden kunnen zien. Daarbij werden ook waarnemingen betrokken van vergelijkbare sterrenstelsels op veel kleinere afstanden van de aarde. Dit vooronderzoek bracht de astronomen tot de conclusie dat de zuurstofemissie ook op zeer grote afstanden detecteerbaar zou moeten zijn [2].

Vervolgens deden zij uiterst nauwkeurige waarnemingen met ALMA [3], waarbij licht van geïoniseerde zuurstof werd ontdekt in SXDF-NB1006-2 – de verste eenduidige detectie van zuurstof ooit [4]. Dat is een sterk bewijs dat er in het vroege heelal, slechts 700 miljoen jaar na de oerknal, al zuurstof aanwezig was.

SXDF-NB1006-2 blijkt verhoudingsgewijs tien keer minder zuurstof te bevatten dan de zon. ‘Deze geringe abundantie komt niet als een verrassing, omdat het heelal nog jong was en er nog niet veel generaties van sterren waren geweest,’ merkt Naoki Yoshida van de Universiteit van Tokio op. ‘Onze simulatie voorspelde daadwerkelijk een abundantie die tien keer kleiner was als die van de zon. Maar we hebben ook nog iets onverwachts ontdekt: een zeer geringe hoeveelheid stof.’

Het team slaagde er niet in om emissie van koolstof in het sterrenstelsel te detecteren, wat erop wijst dat dit jonge stelsel heel weinig niet-geïoniseerde waterstofgas bevat. Ook blijkt het slechts heel weinig stof te bevatten – materiaal dat uit zware elementen bestaat. ‘Er is iets bijzonders aan de hand met dit sterrenstelsel,’ zegt Inoue. ‘Ik vermoed dat bijna al het gas sterk geïoniseerd is.’

De detectie van geïoniseerde zuurstof wijst erop dat zich in het sterrenstelsel talrijke zeer heldere sterren hebben gevormd, die tientallen keren zoveel massa hebben als de zon. Deze reuzensterren zenden de intense ultraviolette straling uit die nodig is om de zuurstofatomen te ioniseren.

Het gebrek aan stof in het sterrenstelsel stelt het intense uv-licht in de gelegenheid om te ontsnappen en grote hoeveelheden gas buiten het stelsel te ioniseren. ‘SXDF-NB1006-2 zou het prototype kunnen zijn van de lichtbronnen die verantwoordelijk zijn voor de kosmische reïonisatie’, aldus Inoue.

‘Hiermee is de beantwoording van de vraag welk soort objecten de kosmische reïonisatie heeft veroorzaakt een stap dichterbij gekomen,’ legt Yoichi Tamura van de universiteit van Tokio uit. ‘Onze volgende waarnemingen met ALMA zijn al begonnen. Nog nauwkeurigere waarnemingen zullen ons in staat stellen om de verdeling en de beweging van geïoniseerde zuurstof in het stelsel te zien, en cruciale informatie opleveren over de eigenschappen van het sterrenstelsel.’

Noten

[1] In astronomische context worden alle chemische elementen zwaarder dan lithium betiteld als ‘zware elementen’.

[2] De Japanse infraroodsatelliet AKARI heeft ontdekt dat de Grote Magelhaense Wolk, waarin de omstandigheden vergelijkbaar zijn met die in het vroege heelal, een sterke bron van zuurstofemissie is.

[3] De oorspronkelijke golflengte van het licht van tweemaal geïoniseerde zuurstof is 0,088 millimeter. De golflengte van het licht van SXDF-NB1006-2 is door de uitdijing van het heelal opgerekt tot 0,725 millimeter, wat dit licht waarneembaar maakt voor ALMA.

[4] Eerder onderzoek door Finkelstein et al. wijst erop dat er ook iets eerder al zuurstof bestond, maar daarbij was geen sprake van een directe detectie van een emissielijn, zoals bij dit nieuwe onderzoek.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek staan in het artikel ‘Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch’, van Inoue et al., dat in het tijdschrift Science is verschenen.

Het onderzoeksteam bestaat uit: Akio Inoue (Osaka Sangyo Universiteit, Japan), Yoichi Tamura (Universiteit van Tokio, Japan), Hiroshi Matsuo (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Ken Mawatari (Osaka Sangyo Universiteit, Japan), Ikkoh Shimizu (Osaka Universiteit, Japan), Takatoshi Shibuya (Universiteit van Tokio, Japan), Kazuaki Ota (Universiteit van Cambridge, VK), Naoki Yoshida (Universiteit van Tokio, Japan), Erik Zackrisson (Uppsala Universiteit, Zweden), Nobunari Kashikawa (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kotaro Kohno (Universiteit van Tokio, Japan), Hideki Umehata (ESO, Garching, Duitsland; Universiteit van Tokio, Japan), Bunyo Hatsukade (NAOJ, Japan), Masanori Iye (NAOJ, Japan), Yuichi Matsuda (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Takashi Okamoto (Hokkaido Universiteit, Japan) en Yuki Yamaguchi (Universiteit van Tokio, Japan).

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de National Science Foundation (NSF) van de VS, de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt gefinancierd door ESO, namens haar lidstaten, door NSF, in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en door NINS, in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO, namens haar lidstaten; door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), namens Noord-Amerika, en door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), namens Oost-Azië. De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).

ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

•          Onderzoeksartikel
•          Foto’s van ALMA

Contact

Akio Inoue
Osaka Sangyo University
Osaka, Japan
E-mail: akinoue@las.osaka-sandai.ac.jp

Masaaki Hiramatsu
NAOJ Chile Observatory EPO officer
Tel: +81 422 34 3630
E-mail: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mob: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media