DE EERSTE MELKWEGSTELSELS

Wanneer ontstonden sterren en stergroepen in het vroege heelal?

Groeiende melkwegstelsels en massale stergeboorten

C. de Jager

ONS HEELAL

Samenvatting van enkele belangrijke eigenschappen in vijf

reuzenstappen

(1) Biljoenen sterren op één plaatje

Hoezo? We zien toch maar een honderdtal sterren?

Op deze foto: Een honderdtal sterren en vele tientallen melkwegstelsels. Een melkwegstelsel bevat ca. 100 miljard sterren. En dan is er ook

nog tien maal zoveel massa aan ‘donkere materie’.

Het melkwegstelsel M100 in detail (afstand is 56 miljoen lichtjaren)

Het centrale deel van M100. Spiraalarmen met daarin groepen van vele jonge sterren (de blauwe stippen)

Stervorming in de spiraalarmen

Opeenhopingen van gas leiden door samenklontering en

zwaartekrachtaantrekking tot de vorming van sterren

(2) Een omvangrijk heelal: dieper in de ruimte zien we ontelbaar vele andere stelsels

Coma cluster – omvat duizenden melkwegstelsels. Afstand: 320 miljoen lichtjaren

Deel van de hemel; elk puntje een stelsel (Sloan Digital Sky Survey)

(3) Het heelal expandeert

En dat gebeurt zelfs versneld!

De wet van Hubble (N.B. een parsec (pc) is 3,26 lichtjaren = 30 biljoen km)

Een recente ontdekking It het wel waar? Hij is intussen vele malen bevestigd De massa, corresponderend met die kracht

(Einstein! E = m) vertegenwoordigt zelfs driekwart van de totale massa van het heelal

Maar … waar komt die kracht vandaan? De druk van het vacuüm?

Het heelal expandeert zelfs versneld

(4) Als het heelal uitzet dan moet het een begin gehad

hebben

Dat klopt: Het heelal ontstond 13,8 miljard jaren geleden

(Dit is de laatste waarde voor de ouderdom van het heelal; tot voor kort namen we aan dit 13,7 miljard jaren was)

Het heelal ontstond in de oerknal

Bij de oerknal ontstonden ruimte, tijd en materie uit het niets. Daarvóór was er geen ruimte, en evenmin

bestonden materie en tijd. Hoe dit gebeurde? Misschien door een instabiliteit van het

absolute vacuüm (Het Casimir-Polder effect) ?

Planck ‘episode’, oerknal: 10-43 sec;

temperatuur T = 1032 K Inflatie begint: 10-35 sec; T = 1028 K (korte, hevige

expansie van de ruimte met snelheid 1000 biljoen lichtjaar/seconde)

Inflatie eindigt: 10-32 sec; T = 1027 K (heelal is nu zo groot als een voetbal)

Baryogenese (= ontstaan van zware atomaire deeltjes: protonen en neutronen): 10-6 sec; 1013 K

Vorming lichtste vier atoomkernen: 300 s; 109 K

Na de oerknal nam de temperatuur snel af; hieronder de eerste 300 seconden

(5) Aanvankelijk was het heelal een hete

ondoorzichtige massa

Dat bleef zo tot door samenvoegen van elektronen met protonen het heelal bestond uit de neutrale

gassen waterstof en helium. Dit gas is doorzichtig. Dit laatste gebeurde toen de temperatuur gezakt was tot onder ca. 4000 graden. Vanaf toen was het

heelal doorzichtig

Na ca. 400 000 jaar werd het heelal doorzichtig; de temperatuur was toen ca. 4000 K

We kunnen terugkijken tot het gebied waar af de materie

ondoorzichtig is (verder terugkijken kan niet)

Dat gebied loopt van ons weg met een snelheid die dicht ligt bij die van het licht.

Dit weglopende grensgebied heeft een temperatuur van ca. 4000 K Maar zien we

hem ook zo heet?

De straling van een lichaam met temperatuur T is maximaal bij een golflengte die we nu L zullen noemen.De verschuivingswet van Wien zegt L x T = 2,9 mmEen lichaam met T = 2900 straalt dus maximaal bij een golflengte L = 1 micron (0,001 mm)Licht loopt met lichtsnelheid (300 000 km/s); dus er zijn in dit geval 300 biljoen trillingen per secondeMaar nu loopt dit lichaam van ons vandaan met grote snelheid ; in dit geval wordt de golflengte ca. duizend maal uitgerekt en de temperatuur wordt navenant lager.

We moeten nu wat rekenen

Het vroege heelal bleef ondoorzichtig tot ca. 400 000

jaar na de oerknal Het had toen een temperatuur van ca. 4000 K Maar als gevolg van de roodverschuiving zien we die

straling nu met een golflengte van rond 1 mm en daarbij hoort een temperatuur van 2,7 K

Om die zwakke straling te kunnen ‘zien’ moet onze ‘kijker’ nog veel kouder zijn

Zo met het instrument sterk afgekoeld worden - tot dicht bij het absolute nulpunt !

Recente ruimte-instrumenten zijn daarop gebaseerd

Het resultaat

Stervorming in gasrijke gebieden

De armen van melkwegstelsels bevatten veel gas. Dat kan onder invloed van de zwaartekracht samenklonteren en zo

ontstaan sterren. We illustreren dit in het volgende

Veel ontdekkingen zijn gedaan met de Hubble ruimte telescoop

Een groep blauwe, dus jonge sterren in ons eigen melkwegstelsel: sterren ontstaan in groepen

Het gebied 1C299. Sterke concentratie van stofwolken leidt tot

stervorming

NGC 6559: Rode emissienevels verraden stralend waterstofgas. Atomair kleine gasdeeltjes om een hete

ster weerkaatsen blauwachtig licht: een reflectienevel

Excessieve stervorming in Orion. Dit is het grootst bekende gebied van stervorming met ca. 400

‘protosterren’ – ook stralend waterstofgas

Westerhout 44: een ander gebied van intense stervorming

Stervorming in W3

In een stervormend stelsel ontstaan ook zware

sterren Deze zijn heet, blauw van kleur en stralen veel

ultraviolet licht uit Bovendien zijn ze de bron van sterrenwind –

uitstromend gas, dat met grote snelheid de ruimte in vliegt

Die twee verschijnselen (straling en sterrenwind) remmen de stervorming in naburige stelsels en dat gebeurt tot op afstanden van 600 000 lichtjaren

Maar ook: remmende werking

NIEUWE INSTRUMENTEN

Er zijn de laatste jaren instrumenten en sterrenwachten gebouwd die het bijna onmogelijke toch mogelijk maken.

We bespreken enkele daarvan met hun resultaten

De Herschel telescoop.

Onderzoeksprogramma: ontstaan van sterren. Gekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt

Details van Herschel. De telescoop werkte van 2009 tot april 2013

Herschel bestudeert o.m. de koude elementen van gebieden van stervorming; hier stofwolken in het

Zuiderkruis

Gas en stof bij de hete radiobron Cygnus X1

Een NASA instrument dat de radiostraling opving

die uitgestraald werd door het vroege heelal Die straling werd dus uitgezonden; toen het heelal

ca. 400 000 jaar jong was; 13,76 miljard jaar geleden

WMAP werkte op golflengten rond 1 mm De straling bleek uiterst homogeen te zijn verdeeld

over de hemel De grootste fluctuaties in de temperatuur zijn 0,2

milliKelvin; dit is dus ruwweg een-tienduizendste van de stralingstemperatuur

We kijken nu naar het vroegste heelal: WMAP – De Wilkinson Microwave Analyser

Probe

Na negen jaar waarnemen was dit het resultaat

Kleine temperatuurfluctuaties Niet groter dan 0,000 2 graad Markeren die inhomogene gebieden de

vorming van melkwegstelsels; m.a.w. mogen we het begin van melkwegstelsels zoeken in die minuscule fluctuaties?

Dit blijkt inderdaad te kunnen Maar verder onderzoek is wel gewenst

Een homogeen heelal?

Europa wil het beter doen: ESA’s Planck observatorium was ook gericht op de beginfase van

het heelal; missie duurde van 2008 tot april 2013

Planck kan meten op 9 frequenties tussen 30

en 850 GHz Dit komt overeen met golflengten tussen 1

mm en 0,04 mm Met Wien rekenen we uit dat dit de

golflengten zijn waar straling van 2,9 tot 70 K de maximale sterkte bereikt

Om dit te kunnen meten werd het instrument met vloeibaar helium afgekoeld tot 0,1 K

Vele golflengten

Planck werd gelanceerd in mei 2009 Werd naar het tweede libratiepunt van het aarde-zon

systeem gebracht: 1,5 miljoen km achter de aarde, van de zon uit gezien

Februari 2010: eerste overzicht van de hele hemel voltooid In februari 2013 tweede gedetailleerde overzicht voltooid.

Zo hebben we nu een volledige, zeer gedetailleerde kaart van de vroege kosmos verkregen (gepubliceerd 21-03-’13)

In april 2013 was alle helium verdampt en dat betekende het eind van Planck’s productieve leven; de satelliet werd op een verre baan het zonnestelsel in gezonden

Een korte geschiedenis

Het ALMA observatorium

Hoog in de Chileense bergen

Begin 2013 werd het internationale ALMA radio-observatorium geopend

Samenwerking ESO, USA, oost-Azië. Locatie: 5000 m hoog in de noordelijke Andes. Einddoel is 66 antennes

en één grotere 12 m antenne

ALMA wil iets soortgelijks als Planck maar meet met

de radiotechniek. Maar .. in het sub-millimeter golflengte gebied is de absorptie door waterdamp zeer groot

In de woestijn van Atacama is de lucht extreem droog, vooral in de ijle lucht op die hoogte

Dat maakt deze bijzondere waarnemingen mogelijk De vele ontvangers maken interferometrie mogelijk

en dat leidt tot een grote gedetailleerdheid Zo kunnen we een scherp beeld krijgen van het

onderzochte deel van het heelal

Waarom die extreme hoogte?

Resultaten, verkregen door de diverse instrumenten

Veel nieuwe waarnemingen van Geboortegolf stelsels: (‘starburst galaxies’): dit zijn melkwegstelsels waarin op

grote schaal sterren worden gevormd

Ze geven aanleiding tot de geboorte van

honderden tot vele duizenden sterren per jaar (vgl. ons melkwegstelsel: ca. 1 ster per jaar)

Ook daardoor stralen ze tot duizend malen sterker dan ons eigen melkwegstelsel

Ze komen vooral voor tussen 1 en 3 miljard jaren na de oerknal (ALMA)

De helft van alle sterren ontstonden in geboortegolf stelsels

Dat beklemtoont het belang van het onderzoek van stervorming in het vroege heelal

Geboortegolf (starburst) stelsels

Verre geboorteplaats: HFLS3 starburst

Ontdekt door Herschel telescoop – klein rood vlekje Nader onderzocht o.m. door de Keck telescopen,

Hawaii Was bij ontdekking het verste geboortegolf stelsel Produceert 2000 maal zoveel sterren als ons eigen

stelsel Heelal is daar 880 miljoen jaar oud Waren het twee stelsels of één? Bij nader

onderzoek: het laatste. Maar zie de verwarrende vorm! Misschien uit twee ontstaan?

HFLS3

HFLS3 in detail

Herschel ontdekte botsing van stelsels; dat versnelt

stervorming

Dat zal ook gebeuren met ons stelsel! Botsing met het

Andromeda stelsel

Bij de ontmoeting, over 3 miljard jaar, zullen de

sterren van beide stelsels elkaar ongehinderd passeren staan te ver van elkaar)

Maar het gas botst en comprimeert Dat is de basis van stervorming Het samengesmolten stelsel is dan een stelsel van

massale stervorming Daarna hebben beide stelsels weinig gas meer over Dat kan het einde betekenen van stergeboorte in

deze stelsels

Over 3 miljard jaar

Ontdekte vijf minuscule stelsels Ze staan in een bij elkaar horend groepje Snelheidsmeting toonde dat deze staan op

een afstand van 13,1 miljard lichtjaren Ze bestonden dus reeds toen het heelal pas

700 miljoen jaar oud was Vermoedelijk zal ook hier samensmelten

optreden, gepaard aan intensieve stervorming

Een ontdekking van de Hubble telescoop

De recordhouder: MACS0647-JD. 420 – 500 miljoen jaar na de oerknal. Een klein object; nog in de

groei?

Het uiteindelijke resultaat van Planck (maart 2013)

We zien hier het heelal toen het ca. 380 000 jaar

oud was Het beeld lijkt de hypothese van de homogene

oerknal enigszins te bevestigen (het ‘standaard kosmologisch model’ dat een homogeen en isotroop heelal onderstelt)

Maar toch niet helemaal: een deel van het heelal is wat kouder dan het andere deel

En een nog kouder vlekje (omlijnd) Dus toch niet het standard model? Het heelal lijkt

wat gecompliceerder dan we dachten

Onverwachte resultaten!

Een wonderlijke strook; aan de ene kant is temperatuur

iets hoger is dan daaronder Die strook valt wel vrijwel samen met de ecliptica. Dat

geeft te denken, maar die anomalie was al eerder gevonden met WMAP en lijkt dus wel reëel

Is het koude vlekje ( omlijnd) misschien gevolg van de invloed van een naburig heelal in het Multiversum??? Een stoutmoedige hypothese, nader onderzoek waard!

Kortom: we kunnen nu het kosmologische model verfijnen –wat zal dat opleveren?

Zie ook E. Mathlener, ZENIT, mei 2013, p. 22-23

Enige details

Hoe ontstonden de melkwegstelsels?

We bezien een doorsnede uit het meer nabije deel van het heelal tot op een afstand van ruim 2 miljard lichtjaren; onderdeel van Sloan Digital Sky

Survey

Stelsels vooral op ’draden’ en ‘knopen’ van het netwerk. (z=0,14 betekent dat de snelheid = 0,14 maal lichtsnelheid = 42000 km/sec; komt overeen met afstand 700 Mpc= 2,3 miljard lichtjaar (zie

Hubble’s grafiek))

We onderstellen nu dat ook in het vroege heelal de onregelmatigheden de basis zijn van de

latere melkwegstelsels. (Zag Herschel hier een geboorte ?)

Een ESO consortium van 19 astronomen uit

twaalf Europese landen onderzoekt de groei van melkwegstelsels. Eerste voorlopige resultaten

Lichtsterkte neemt toe met de tijd – d.i. met afnemende afstand tot ons; groeiende stelsels

Op 11 Miljard lichtjaren: relatieve helderheid = 1 Op 8 Miljard ………………………………. = 1.8 Conclusies: stelsels groeien, vermoedelijk door

botsingen en samensmelten. Vooral in hun jeugd

De groei van melkwegstelsels

Als een melkwegstelsel eenmaal bestaat vormen zich sterren op de knopen en filamenten van het

gas

De kleine condensaties in het primaire heelal (zie de

resultaten van Wilkinson en Planck) kunnen verder samenkrimpen onder invloed van de zwaartekracht

Botsingen kunnen leiden tot samensmelten; zo ontstaan grotere stelsels

In de loop van de tijd blijven de stelsels aanvankelijk groeien Vooral uit botsingen ontstaan gas-rijke melkwegstelsels. Het gas van deze stelsels klontert tezamen tot sterren En ook de zeer zware zwarte gaten die in vrijwel alle grote

stelsels voorkomen spelen een rol Stelsels met massa’s van boven ca. 300 miljard zonsmassa’s

worden de geboortegolf- (starburst-) stelsels genoemd.

Korte ontstaansgeschiedenis

Samengevat: Evolutie van het heelalSchets van de huidige resultaten

In woorden samengevat:

De eerste melkwegstelsels ontstonden toen het heelal ca. 400 - 800 miljoen jaar oud was; vele daarvan smolten

tezamen tot grotere stelselsDat werden gas-rijke objecten, waarin veel sterren

ontstonden, tot duizenden per jaarDaarin vormden zich aanvankelijk extreem zware sterren die kort leefden en die het heelal verrijkten met atomen

zwaarder dan waterstof en helium

DANK U !

Deze presentatie heeft relatie met die van eerder gegeven lezingen. Zie de volgende presentaties op deze website:

1- oerknal3-eerste sterren

4- evolutie melkwegstelsels