De vorming en evolutie van sterrenstelsels in het jonge heelal is een belangrijk aspect van ons begrip van het universum. Maar afstandsbepaling van deze sterrenstelsels blijft problematisch. Volgens welke methode kom je erachter hoe ver deze sterrenstelsels precies staan? Zijn ze 1 miljard jaar oud, of 2 miljard jaar?
Tot de ontdekkingen van Edwin Hubble eind jaren ’20 geloofde men dat het universum even groot was als de Melkweg. Hubble liet zien dat een aantal sterrenstelsels zich buiten onze Melkweg bevonden, en ver ook! De methode die Hubble toepaste kostte veel tijd. Voordat Hubble deze waarnemingen deed konden deze afstanden niet worden bepaald.
Het principe van afstandsbepaling is simpel. Gas in jonge sterrenstelsels, mits daar een beetje koolstof en zuurstof in zit, zendt licht uit. De emissielijnen zijn normaliter in het millimeter, submillimeter en ver-infrarood golflengtegebied te zien. Door de uitdijing van het heelal worden deze lijnen naar langere golflengten verschoven. Uit het golflengteverschil tussen de emissielijnen kunnen de juiste lijnen worden geïdentificeerd en dus de afstand tot een sterrenstelsel. Astronomen gebruiken voor de afstand ook de term roodverschuiving.
Voorbeeld:
We weten dat het golflengteverschil tussen een van de emissielijnen van koolstofmonoxide en een lijn van het neutrale koolstofatoom klein is. Normaal gesproken zijn deze lijnen rond 460 tot 490 GHz te zien. In het bovenstaande plaatje zijn dicht bij elkaar twee lijnen te zien in het spectrum van het sterrenstelsel SPT2147-50. Aangezien er geen andere combinaties van lijnen zijn die zo dicht bij elkaar liggen, moet dit de combinatie van koolstofmonoxide en neutraal koolstof zijn, met een roodverschuiving van 3,76.
Dezelfde combinatie van twee lijnen (en zelfs een derde) werd ook gezien in het sterrenstelsel SPT0529-54. De emissielijnen waren zichtbaar op hogere frequenties, dus is de roodverschuiving lager. Het sterrenstelsel staat dichterbij.
In het eerste 2 uur durende project van ALMA, werd de afstand bepaald van meer dan 20 sterrenstelsels met roodverschuivingen van 2 tot 5,7 (nieuwsbericht: ALMA lokaliseert vroege sterrenstelsels in recordtijd). Baanbrekend aan dit project is de snelheid. Vroeger kostte dit soort speurwerk meer dan 5 uur per sterrenstelsel, en het lukte slechts 6 op de 10 keer om de afstand nauwkeurig te bepalen. Met ALMA kostte dit werk slechts 2 minuten per sterrenstelsel, in relatief slecht weer, met 16 schotels. Als ALMA voltooid is, en bestaat uit 50 schotels, kan het in ongeveer 20 seconden.
Het leuke is dat ALMA bij deze heel ver weg gelegen sterrenstelsels ook nieuwe dingen ziet. Het verste sterrenstelsel is zo ver weg dat een 'onzichtbare' emissielijn van water is verschoven naar een voor ALMA zichtbare golflengte.
– Ik moest dit even laten inzinken. –
Water werd waargenomen in een sterrenstelsel dat zijn licht uitzond toen het heelal slechts 1 miljard jaar oud was en minder dan tien keer zo klein. Ook geïoniseerd water (H2O+) werd gezien. Dit geïoniseerde water moet zijn ontstaan door de straling van het centrale zwarte gat. Een fenomenaal resultaat op zichzelf natuurlijk.
Tim van Kempen
Tim van Kempen is onderzoeker aan de Sterrewacht Leiden en werkt sinds juli 2010 voor en met ALMA. Na twee jaar in Chili te hebben meegwerkt aan het testen van ALMA, is hij sinds kort terug in Nederland. In dit blog bespreekt hij de techniek van ALMA en licht hij de eerste wetenschappelijke resultaten toe.