Astronomen hebben de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om in het vroege heelal te kijken en de bouwstenen van sterrenstelsels tijdens hun vormingsjaren bloot te leggen. Het CRISTAL-onderzoek, dat staat voor [CII] Resolved ISM in STar-forming galaxies with ALMA, onthult koud gas, stof en klonterige stervorming in sterrenstelsels zoals ze er één miljard jaar na de oerknal uitzagen.
“Dankzij de unieke gevoeligheid en resolutie van ALMA kunnen we de interne structuur van deze vroege sterrenstelsels op een nooit eerder vertoonde manier in kaart brengen,” aldus Rodrigo Herrera-Camus, hoofdonderzoeker van het CRISTAL-onderzoek, professor aan de Universidad de Concepción en directeur van de Millennium Nucleus for Galaxy Formation (MINGAL) in Chili. “CRISTAL laat ons zien hoe de eerste galactische schijven werden gevormd, hoe sterren ontstonden in reusachtige klonters en hoe gas de sterrenstelsels vormde die we vandaag de dag zien.”
CRISTAL, een groot ALMA-programma, observeerde 39 typische stervormende sterrenstelsels die zijn geselecteerd om de hoofdpopulatie van sterrenstelsels in het vroege heelal te vertegenwoordigen. Met behulp van [CII]-lijnemissie, een specifiek type licht dat wordt uitgezonden door geïoniseerde koolstofatomen in koud interstellair gas, als tracer van koud gas en stof, en in combinatie met nabij-infraroodbeelden van de James Webb- en Hubble-ruimtetelescopen, hebben de onderzoekers een gedetailleerde kaart gemaakt van het interstellaire medium in elk stelsel. Een van de belangrijkste bevindingen was dat de meeste sterrenstelsels stellaire geboorte vertoonden in grote klonten, die elk enkele duizenden lichtjaren besloegen. Een subgroep van sterrenstelsels vertoonde tekenen van rotatie, wat duidt op de vroege vorming van schijfachtige structuren, die voorlopers zijn van moderne spiraalstelsels. De [CII]-emissie strekte zich vaak uit tot ver voorbij de zichtbare sterren, wat duidt op de aanwezigheid van koud gas dat toekomstige stervorming kan voeden of kan worden verdreven door stellaire winden.
“Wat zo opwindend is aan CRISTAL, is dat we vroege sterrenstelsels niet alleen als lichtpuntjes zien, maar als complexe ecosystemen”, zegt Loreto Barcos-Muñoz, co-auteur van het onderzoek, astronoom aan de Amerikaanse National Radio Astronomy Observatory (NRAO) en ALMA-contactpersoon voor het onderzoek. “Dit project laat zien hoe ALMA de interne structuur van sterrenstelsels kan bepalen, zelfs in het verre heelal, en laat zien hoe ze evolueren, op elkaar inwerken en sterren vormen.”
Twee sterrenstelsels in het onderzoek vielen op. CRISTAL-13 bevat enorme wolken van kosmisch stof die het zichtbare licht van pasgeboren sterren blokkeren. Dit licht wordt opgewerkt tot millimetergolflengten die ALMA kan detecteren, waardoor structuren zichtbaar worden die volledig verborgen blijven voor telescopen die in optische of infrarode golflengten observeren. CRISTAL-10 is een raadselachtig geval: de geïoniseerde koolstofemissie is ongewoon zwak in verhouding tot de infrarode helderheid, een eigenschap die alleen wordt waargenomen in zeldzame, zwaar verduisterde sterrenstelsels zoals Arp 220 in het nabije heelal. Dit duidt op extreme fysische omstandigheden of een ongebruikelijke krachtbron in het interstellaire medium.
“Deze waarnemingen benadrukken het potentieel van ALMA als tijdmachine, waarmee we in de vroege tijden van het heelal kunnen kijken”, zegt Sergio Martín, hoofd van de afdeling Science Operations bij ALMA. "Programma's zoals CRISTAL laten de kracht zien van ALMA's grote programma's om wetenschap met grote impact te stimuleren. Ze stellen ons in staat om de grote vragen van de kosmische evolutie aan te pakken met de ongekende diepte en resolutie die alleen een observatorium van wereldklasse als ALMA kan bieden."
Door voor het eerst systematisch onderzoek te doen naar het koude gas in vroege sterrenstelsels en dit te vergelijken met hun sterren en stof, biedt CRISTAL een nieuw venster op de kosmische geschiedenis. Het onderzoek vormt de basis voor toekomstige waarnemingen die kunnen onthullen hoe sterrenstelsels overgaan van turbulente vroege fases naar de goed gestructureerde systemen die we zien in het lokale heelal. “CRISTAL levert het soort gegevens over meerdere golflengten waarmee we onze theorieën over de evolutie van sterrenstelsels kunnen testen en verfijnen”, aldus Herrera-Camus. “Dit is een belangrijke stap om te begrijpen hoe sterrenstelsels zoals onze Melkweg zijn ontstaan.”
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomiefaciliteit, is een samenwerkingsverband van de European Southern Observatory (ESO), de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met 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 and Technology Council (NSTC) in Taiwan, en door NINS in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).
Foto: ALMA
