Naar de diepten van de kosmos

Volgens de huidige inzichten is het 13,7 miljard jaar geleden dat het heelal ontstond. Stukje bij beetje slagen sterrenkundigen erin steeds meer puzzelstukjes uit de begintijd te verzamelen. Een van de middelen die men daarbij gebruikt is het maken van lang belichte opnamen van het heelal, waarop melkwegstelsels in de diepten van het heelal prijken. Daar, op afstanden van meer dan tien miljard lichtjaar, krijgen we een indruk van de heftige processen die tot het ontstaan van de eerste melkwegstelsels hebben geleid. Maar eenduidige conclusies kunnen nog steeds niet worden getrokken.

Bij de speurtocht naar de eerste objecten in het heelal worden uiteraard niet in het wilde weg foto’s gemaakt. Er worden goed gecoördineerde internationale waarneemacties gehouden, zoals de Great Observatories Origins Deep Survey – kortweg GOODS. Bij de GOODS-survey kijkt men uitsluitend naar twee kleine stukjes sterrenhemel: het ene rond het noordelijke Hubble Deep Field (zie Zenit, april 1996, blz. 148-152), het andere rond het zuidelijke Chandra Deep Field.
Werd de eerste opname van de kosmische diepten gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop, de opvolgers komen uit tal van grote instrumenten die een flink deel van het elektromagnetische spectrum beslaan. Het betreft, naast de Hubble, ook de ruimtetelescopen Spitzer (infrarood), Chandra (röntgen) en XMM-Newton (röntgen) en telescopen van onder meer de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) en de National Optical Astronomy Observatory (NOAO). Al deze instrumenten worden bij tijd en wijle langdurig gericht op een van de genoemde hemelgebieden, die elk slechts ongeveer 160 vierkante boogminuten groot zijn. Ter vergelijking: de volle maanschijf meet ruim 700 vierkante boogminuten.
Het doel van GOODS is om een overzicht te krijgen van het nog betrekkelijk jonge heelal en de evolutie van de eerste melkwegstelsels. Dat is destijds met het Hubble Deep Field maar ten dele gelukt: deze besloeg een gebiedje van slechts vijf vierkante boogminuten en aanvullende waarnemingen in het infrarood en röntgen waren schaars. Deze gaten worden nu gevuld door Spitzer, Chandra en XMM-Newton.

Hubble en Chandra

Het eerste beeld dat in het kader van GOODS werd gemaakt, stamt alweer uit februari 2001. Het betreft een bescheiden opname die bij matige seeing met de 4-m Mayall Telescope op Kitt Peak (Arizona, VS) werd gemaakt. Maar dat was eigenlijk niet veel meer dan een vingeroefening om een nieuwe digitale groothoekcamera te testen.
GOODS pakte pas groot uit, toen in de zomer van 2003 de nieuwe opnamen met de Hubble-ruimtetelescoop en de Chandra-röntgentelescoop konden worden gepubliceerd. Daaruit bleek dat de gemiddelde afmetingen van melkwegstelsels tussen 1 en 6 miljard jaar na de oerknal duidelijk zijn toegenomen. Er waren bovendien ook meer spiraalstelsels en minder elliptische stelsels dan nu. Het begin van deze periode laat verder een toename (met een factor drie) zien in het tempo waarin nieuwe sterren geboren worden. Dit tempo bereikt omstreeks 1,5 miljard jaar na de oerknal een hoogtepunt, om vervolgens tot ongeveer 7 miljard jaar gelijk te blijven en ten slotte heel snel met een factor tien te dalen. Dat wijst er dus op dat de ‘bouwactiviteiten’ ongeveer halverwege de huidige leeftijd van het heelal begonnen af te nemen.
De toename van de gemiddelde omvang van de melkwegstelsels is in overeenstemming met het zogeheten hiërarchische model. Volgens dit model zijn de grote stelsels ontstaan door steeds meer kleinere (satelliet)stelsels op te slokken. In de loop van de miljarden jaren zouden vele dwergstelsels zijn samengeklonterd tot spiraalstelsels en later tot de nog grotere elliptische stelsels. (Zie ook ‘Van klein naar groot’.)
De Chandra-beelden laten een heel ander aspect van het jonge heelal zien. Dit instrument neemt immers het op één na meest energierijke deel van het spectrum waar – het deel dat veroorzaakt wordt door zeer energierijke processen in het heelal. Op de beelden die Chandra maakte zijn allerlei onbekende röntgenbronnen te zien, die op de optische Hubble-beelden niet terug te vinden zijn. Een sluitende verklaring daarvoor bestaat nog niet. Het zou om de actieve superzware zwarte gaten in zeer jonge (en dus verre) melkwegstelsels kunnen gaan, maar ook om minder verre objecten die in dichte stofwolken gehuld zijn.

Verborgen actieve kernen

Uit vergelijking van de diepe opnamen van Hubble en Chandra hebben de onderzoekers vastgesteld dat verre, betrekkelijk kleine melkwegstelsels niet zo vaak een actief zwart gat in hun kern lijken te hebben. Dat hoeft niet te betekenen dat er helemaal géén (groot) centraal zwart gat ís. Het is denkbaar dat de talrijke supernova-explosies van de eerste generaties zware sterren ertoe hebben geleid dat veel gas uit de stelsels is weggeblazen. Hierdoor zou het zwarte gat onvoldoende materie kunnen opslokken om veel energie te produceren.
Er is echter ook een oorzaak die de activiteit van een centraal zwart gat kan verhullen: stof. De materie die naar een zwart gat toe valt, doet dat niet in rechte lijn, maar verzamelt zich in eerste instantie in een dikke accretieschijf van gas en stof. Alleen als we de schijf van ‘boven’ of ‘onderen’ bekijken, krijgen we het zwarte gat en zijn omgeving te zien – de plek waar de meeste energie wordt geproduceerd. Van ‘opzij’ gezien, kijken we tegen de dichte stofwolken aan. Alleen harde röntgenstraling en infraroodstraling kan het stof passeren. Zo’n verborgen actieve kern wordt dus gekenmerkt door de combinatie van zwak zichtbaar licht en sterke röntgen- of infraroodstraling.
Door de gegevens van de Very Large Telescope, de Hubble-ruimtetelescoop en Chandra met elkaar te combineren, heeft een ESO-team onder leiding van Paolo Padovani enkele tientallen van die verborgen actieve kernen in het zuidelijke GOODS-gebied opgespoord. Tot dan toe waren er slechts negen van deze objecten bekend. ‘Deze ontdekking betekent dat bij surveys van energetische superzware zwarte gaten hun aantallen tot nog toe met ten minste een factor twee, en misschien wel met een factor vijf, onderschat zijn,’ aldus Padovani in een ESO-persbericht.
De in augustus 2003 door NASA gelanceerde Spitzer-ruimtetelescoop bevestigt dit beeld. Deze infraroodsatelliet spoorde in het kader van GOODS een aantal infraroodstraling uitzendende stelsels op waarvan zelfs de Hubble-telescoop geen optische tegenhanger had kunnen vinden.

Diep, dieper, diepst

Het best bestudeerde stukje van het (zuidelijke) GOODS-gebied is drie bij drie boogminuten groot – ruwweg een tiende van de maandiameter. Dat stukje hemel staat inmiddels bekend als het Hubble Ultra Deep Field. Het is bekeken met de (optische) Advanced Camera for Surveys (ACS) van de ruimtetelescoop en grotendeels ook met de nabij-infraroodcamera NICMOS. Het is de langst belichte opname ooit: alles bij elkaar werden, verspreid over vier maanden, achthonderd opnamen van gemiddeld 21 minuten gemaakt. De totale belichtingstijd bedroeg dus ongeveer 1 miljoen seconden, oftewel 11,3 dagen. Dat is niet veel langer dan bij het oorspronkelijke Hubble Deep Field (tien dagen), maar de pas in 2002 geïnstalleerde ACS-camera heeft een groter beeldveld en is veel gevoeliger dan zijn voorganger, de WFPC2. Totdat (naar verwachting) in 2011 de James Webb Space Telescope wordt gelanceerd, zal er geen ‘diepere’ opname van de hemel worden gemaakt, tenzij ‘Hubble’ over enkele jaren met behulp van een robot alsnog van de reeds gereedstaande Wide Field Camera 3 kan worden voorzien.
In het Ultra Deep Field zijn naar schatting 10.000 melkwegstelsels te zien – de zwakste van magnitude 30. Dat lijkt een overzichtelijk aantal. Maar daarbij moet men wel bedenken dat de hemelsfeer alles bij elkaar 41.253 vierkante graden groot is, en dat in elke graad 400 UDF’s passen. Oftewel: vertaald naar het hele firmament kom je uit op 165 miljard melkwegstelsels. Het overgrote deel van deze stelsels heeft roodverschuivingen tot 6: deze geven een beeld van het heelal zoals het ruwweg een half miljard jaar na de oerknal was.
De afgelopen decennia hebben sterrenkundigen bewijzen verzameld die erop duiden dat we in een tweemaal geïoniseerd heelal leven (zie ook Zenit, juni 2003, blz. 260-267). De eerste ionisatie omvat de periode dat het heelal nog zo heet was, dat zich geen neutrale atomen kónden vormen. Gedurende deze periode werden ook de fotonen van de kosmische achtergrondstraling uitgezonden. Door afkoeling ontstonden vervolgens neutrale atomen en werd het heelal ondoordringbaar voor fotonen: het Donkere Tijdperk was begonnen. Aan de duisternis kwam pas weer een einde toen de intense straling van de eerste generaties sterren de materie in het heelal opnieuw ioniseerden. Hierdoor werd het heelal weer doorzichtig voor licht.
Aangenomen wordt dat de ‘herionisatie’ ongeveer 0,5 miljard jaar na de oerknal compleet was. Maar het is heel moeilijk om vast te stellen wanneer dat precies is gebeurd: melkwegstelsels op zulk grote afstanden zijn immers zeer zwak en moeilijk waarneembaar. Op het Ultra Deep Field zijn nu een kleine honderd zwakke, rode dwergstelsels opgespoord. De onderzoekers zijn het er echter niet over eens of deze stelsels de oorzaak van de kosmische herionisatie zijn. Volgens sommigen produceren deze stelsels daarvoor te weinig ultraviolette straling. Anderen stellen dat de stelsels wel degelijk voldoende energie produceren, mits de sterren waaruit ze bestaan maar groot en zwaar zijn – iets dat niet ondenkbaar is. Het is ook mogelijk dat we slechts het topje van een reusachtige ijsberg van dwergstelsels zien, die zich tot roodverschuivingen ver voorbij de 6 voortzet. Vast staat dat er in die tijd veel meer dwergstelsels waren dan later in de geschiedenis van het heelal. En het lijkt erop dat ze in elk geval een flinke bijdrage hebben geleverd aan de eindstadia van de herionisatie: bij roodverschuivingen van 7 à 8 lijkt de herionisatie althans minder ver te zijn gevorderd dan bij roodverschuiving 6.
Overigens laten zelfs nabijere objecten zich vaak al moeilijk verklaren. In het Ultra Deep Field zijn met Spitzer objecten waargenomen, waarvan sommige zelfs met de Hubble-telescoop niet of nauwelijks te zien zijn. Onderzoeker Haojing Yan van het California Institute of Technology acht het mogelijk dat het om oude melkwegstelsels met roodverschuivingen van 2 à 3 gaat. In dat geval zouden deze objecten heel kort na de oerknal moeten zijn ontstaan. Het is echter ook denkbaar dat het jonge, actieve stervormingsgebieden zijn, gehuld in dichte stofwolken. Vervolgonderzoek bij langere golflengten moet uitmaken welke van de twee opties de juiste is.

Tour de FORS

Los van alle Hubble-activiteiten heeft men bij de ESO de afgelopen jaren een ander onderzoek naar de diepten van de kosmos uitgevoerd: het FORS Deep Field, genoemd naar de FOcal Reducer/low dispersion Spectrograph. Met FORS kunnen niet alleen opnamen van een vrij groot beeldveld (7 bij 7 boogminuten) worden gemaakt, maar kan direct ook spectrale informatie worden verkregen. Het instrument wordt gebruikt in combinatie met een van de VLT-telescopen.
Met het vastleggen van het FORS Deep Field (FDF) is men onmiddellijk begonnen toen in 1999 de eerste telescoop van de VLT in gebruik werd genomen. Door de storende invloed van de aardatmosfeer zijn de FORS-beelden uiteraard minder scherp dan die van de verschillende ruimtetelescopen. Maar in termen van grensmagnitude (‘diepte’) doen ze niet veel onder voor die van het oorspronkelijke Hubble Deep Field. Bovendien is het beeldveld veel groter, waardoor er op het FDF evenveel melkwegstelsels te zien zijn als op het Hubble Ultra Deep Field.
In tegenstelling tot laatstgenoemde is het FDF al uitgebreid geanalyseerd, een proces dat enkele jaren heeft geduurd. In 2003 is een catalogus gepubliceerd met de eigenschappen van 8753 objecten. Van de meeste is onder meer de roodverschuiving (c.q. afstand) bepaald. De verdeling van het waargenomen aantal stelsels per afstand laat een piek zien bij een roodverschuiving van 1 en neemt vervolgens sterk af. Daaruit zou men de conclusie kunnen trekken dat er voorbij z=1 minder stelsels zijn, maar dat is niet zo: op grotere afstanden zijn alleen de helderste stelsels waarneembaar. De verste stelsels (z~7) bevinden zich op een afstand van ongeveer 13 miljard lichtjaar.
Opmerkelijke details in de verdeling van melkwegstelsels in het FDF zijn de pieken bij roodverschuivingen 0,3, 0,8, 2,4 en 3,4. Op die afstanden zijn dus relatief veel stelsels te zien en dat heeft alles te maken met de verdeling van de materie in het heelal. Van grote afstand gezien is deze verdeling zo goed als uniform, maar er zit wel degelijk structuur in: melkwegstelsels hebben de neiging om zich tot grote, draderige structuren te groeperen. De piek bij z=0,3 is overigens een toevalstreffer: hier bevindt zich de kleine cluster van stelsels rechtsonder op de FORS-opname.
Wat zeggen de FDF-resultaten nu over de evolutie van melkwegstelsels in het heelal? Analyse van de helderheden van de stelsels in het ultraviolet levert informatie op over het tempo waarin zij nieuwe sterren aanmaken. In overeenstemming met de hierboven vermelde GOODS-resultaten vindt men dat het hoogtepunt 1,5 à 2 miljard jaar na de oerknal wordt bereikt (z~2,5-3), waarna een lichte daling inzet die pas halverwege de geschiedenis van het heelal versneld doorzet.
Uit nadere inspectie van de spectra van de verste stelsels blijkt dat deze doorgaans zwakkere lijnen van zware elementen vertonen dan hun nabijere soortgenoten. Ook dat is volgens verwachting: de materie in het heelal bevatte na de oerknal immers helemaal geen zware elementen – deze worden geproduceerd door zware sterren, en daar is tijd voor nodig. In het FDF kijken we klaarblijkelijk terug tot in de periode dat het heelal nog te jong was om veel zware elementen te produceren. Twee miljard jaar na de oerknal was het gehalte aan zware kernen nog een derde lager dan nu. Anders gezegd: tweederde van de zware elementen moet tijdens de eerste paar miljard jaar van de geschiedenis van het heelal zijn geproduceerd. Dat maakt eens te meer duidelijk dat die begintijd een roerige periode moet zijn geweest, met een bevolking van melkwegstelsels waarin veel meer jonge, hete sterren straalden dan in hun huidige tegenhangers.

Het duiveltje in de details

Dit alles wil echter niet zeggen dat we nu precies weten hoe de jeugd van het heelal verlopen is. Er worden nog voortdurend waarnemingen gedaan die roet in het eten gooien. Net nu alles erop wijst dat het hiërarchische model van de vorming van melkwegstelsels klopt – kleine stelsels die zich tot steeds grotere samenvoegen –, zijn met de VLT weer vier verre stelsels ontdekt die ongeveer net zo groot zijn als de grootste stelsels van nu.
Het viertal bevindt zich in een gebied dat deels overlapt met het zuidelijke GOODS-veld (het K20-veld). Uit hun roodverschuivingen (z=1,6-1,9) volgt dat we ze waarnemen zoals ze waren toen het heelal nog maar een kwart van zijn huidige leeftijd had bereikt. Uit spectraalonderzoek blijkt dat de stelsels voornamelijk uit oude sterren bestaan, die 1 à 2 miljard jaar eerder gevormd moeten zijn. En de stelsels lijken qua vorm sterk op de reuzenelliptische stelsels van nu.
Dat er al zo vroeg in de geschiedenis van het heelal van die grote stelsels worden gevonden, komt als een verrassing. Dat zou er namelijk op duiden dat de vorming van elliptische stelsels veel eerder is begonnen en/of veel sneller is verlopen dan het hiërarchische model voorspelt. ‘Ons nieuwe onderzoek roept fundamentele vragen op over ons begrip en kennis van de processen die aan de basis staan van de evolutionaire geschiedenis van het heelal en zijn structuren,’ aldus de Italiaanse sterrenkundige Andrea Cimatti, die de grote stelsels hielp opsporen.
Zelfs de piek in de geboortegolf van sterren zoals die uit de grote surveys naar voren komt, is nog niet boven alle twijfel verheven. In april publiceerden Britse en Amerikaanse onderzoekers hun bevindingen van een analyse van bijna 100.000 betrekkelijk nabije melkwegstelsels, waarvan de gegevens verzameld zijn in het kader van de Sloan Digital Sky Survey. Volgens hen heeft de stellaire golf pas vijf miljard jaar geleden zijn hoogtepunt bereikt – veel later dus dan de meer dan tien miljard jaar geleden die uit GOODS en FDF volgt.
Het verschil met de andere onderzoeken zou gelegen zijn in het feit dat het stervormingstempo afhankelijk is van de massa van het stelsel: zware, grote stelsels beginnen eerder sterren te produceren dan kleine stelsels. Het probleem met de grote surveys is, dat ze op grote afstanden alleen de allerhelderste en dus grootste stelsels opsporen – de kleintjes worden over het hoofd gezien. En dat zou tot een overschatting van de stervorming in het vroege heelal leiden.
Of de stellaire geboortegolf inderdaad zo lang heeft aangehouden, zal wellicht duidelijk worden als weer een ander Hubble-project – de Galaxy Evolution from Morphology and Spectral Energy Distributions (GEMS) – wordt voltooid. GEMS maakt gebruik van het meest omvangrijke mozaïek dat ooit met ‘Hubble’ is gemaakt. Het betreft een gebied ter grootte van de volle maan in het sterrenbeeld Fornax, dat het zuidelijke GOODS-veld omsluit. Op het mozaïek zijn 40.000 melkwegstelsels op afstanden tot ongeveer 9 miljard lichtjaar te zien. Gedetailleerd onderzoek van de eigenschappen van deze stelsels moet onder meer duidelijkheid geven over de vraag in welke mate de evolutie van melkwegstelsels is bepaald door onderlinge wisselwerkingen. Op het GEMS mozaïek zijn tal van stelsels te zien die bezig zijn met elkaar te versmelten. Andere stelsels vertonen de kernmerken van ontmoetingen die zich al eerder hebben afgespeeld: dubbele kernen, getijdenstaarten en groepjes ontsnapte sterren. Ook bevestigen de beelden dat er tegenwoordig veel meer reuzenelliptische stelsels zijn dan vroeger. Alles duidt er dus op dat onderlinge wisselwerkingen een belangrijke rol hebben gespeeld bij de totstandkoming van de huidige populatie melkwegstelsels. Maar zoals altijd zal de werkelijkheid wel heel anders zijn dan de eerste indrukken doen vermoeden.

(Zenit, november 2004)

Meer informatie

(GOODS/HUDF)
http://www.stsci.edu/science/goods/
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2003/18/
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2004-10/index.shtml
http://chandra.harvard.edu/press/03_releases/press_061903.html
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2004/pr-14-04.html
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2004/07/
http://hubblesite.org/news/2004/28

(WFC3)
http://wfc3.gsfc.nasa.gov/index.html

(FORS)
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-1998/phot-47-98.html
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/jheidt/fdf/fdf.html
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/jheidt/fdf/pubs/mes116-appenzeller.pdf

(K20)
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2004/pr-17-04.html

(SDSS)
http://www.sdss.org/
http://www.upenn.edu/pennnews/article.php?id=623

(GEMS)
http://www.mpia-hd.mpg.de/GEMS/gems.htm
http://hubble.stsci.edu/newscenter/newsdesk/archive/releases/2004/42/text/

Tijd, afstand en roodverschuiving

In de spectra van vrijwel alle melkwegstelsels die we waarnemen zijn de karakteristieke spectraallijnen verschoven ten opzichte van hun ‘rustposities’ (de posities die de lijnen zouden hebben als het stelsel zich niet verwijdert of naderbij komt). Deze golflengteverlenging of roodverschuiving wordt binnen het oerknalmodel geïnterpreteerd als een gevolg van de uitdijing van het heelal, die ertoe leidt dat de onderlinge afstanden tussen alle stelsels toenemen. Als de gemeten golflengte van een bepaalde spectraallijn twee keer zo lang is als de rustgolflengte, is de roodverschuiving gelijk aan 1, oftewel z =1. Als de lijn met een factor drie is opgeschoven, geldt z=2, enzovoorts.
Er bestaat dus een directe relatie tussen de roodverschuiving en de uitdijing van het heelal. Maar de roodverschuiving laat zich niet zo gemakkelijk vertalen in een afstand in lichtjaren. Op de eerste plaats is ‘afstand’ in dit verband al een onduidelijk begrip: bedoelen we de afstand op het moment dat een stelsel het licht dat we nu waarnemen uitzond of de huidige afstand, die door de uitdijing van het heelal natuurlijk groter is? De laatste is misschien de meest ‘interessante’, maar laat zich niet exact berekenen. We weten namelijk niet precies hoe de uitdijing van het heelal verlopen is.
Gezien alle onzekerheden, geven sterrenkundigen er de voorkeur aan om het bij verre objecten helemaal niet over afstanden te hebben. Zij beperken zich tot de enige direct waarneembare grootheid: de roodverschuiving. Als er al een andere grootheid wordt genoemd, is het de ‘terugkijktijd’ – de tijd die verstreken is sinds het waargenomen licht is uitgezonden. Maar deze terugkijktijd is voor grote afstanden niet gelijk aan de huidige afstand in lichtjaren.
De afstanden die in dit artikel worden genoemd, zijn (bij gebrek aan beter) dan ook niet meer dan een indicatie. Daarbij is het interessant om op te merken dat het verband tussen roodverschuiving en afstand niet lineair is: het verschil in afstand tussen z=2 en z=3 is bijvoorbeeld veel kleiner dan de afstand tussen z=1 en z=2. Bij grotere roodverschuivingen neemt het afstandsverschil steeds verder af.

Voor meer informatie zie ‘Op zoek naar de grens van het heelal’ van Peter Hoyng, in Zenit, juli/augustus 1998, blz. 340-348.

Op basis van een groot hemelmozaïek dat in het kader van het Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS) is samengesteld, hebben NASA en ESA een drie minuten durende IMAX-film laten maken die een driedimensionale voorstelling van het heelal laat zien. (Foto: NASA, ESA en G. Bacon (STScI))
Zie ook http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2004/16/video/a.

Van klein naar groot

Op ‘diepe’ opnamen van de hemel zijn veel samenscholingen van melkwegstelsels te zien, die elkaar zo dicht naderen dat ze met elkaar samensmelten. Het ligt voor de hand om te veronderstellen dat deze ‘fusies’ een belangrijke rol hebben gespeeld in het ontstaan en de ontwikkeling van melkwegstelsels.
De meeste sterrenkundigen denken dat de kiemen voor het ontstaan van (groepen van) melkwegstelsels al vroeg in de geschiedenis van het heelal zijn gelegd. Kleine dichtheidsverschillen in de oermaterie die bij de oerknal zou zijn ontstaan, zouden dankzij de zwaartekracht de uitdijing van het heelal hebben weerstaan. Hierdoor zouden plaatselijke samenklonteringen van materie zijn gevormd.
De belangrijkste onzekerheid in dit scenario is dat er onvoldoende zichtbare materie is om de zwaartekracht de kans te geven de materie verder te verdichten: het heelal lijkt domweg te leeg. De oplossing van dit probleem wordt gezocht bij grote aantallen deeltjes, die men samenvat onder de noemer koude donkere materie (cold dark matter, CDM). Deze hypothetische deeltjes zouden 85% van de totale hoeveelheid materie in het heelal vertegenwoordigen, maar moeilijk waarneembaar zijn omdat de wisselwerking met normale materie heel zwak zou zijn.
Het model van de koude donkere materie is dus niet meer dan een hypothese, maar wel een die veel aspecten van ons heelal goed lijkt te beschrijven. De CDM-deeltjes zouden vrij gemakkelijk zogeheten halo’s van donkere materie vormen, die als aantrekkingscentra van normale materie kunnen fungeren. Volgens het hiërarchische model van stelselvorming, dat momenteel de meeste aanhang geniet, zouden binnen de halo’s van koude donkere materie relatief kleine ophopingen van gas zijn ontstaan, die door achtereenvolgende fusies tot grotere structuren zijn uitgegroeid. Terwijl het gas afkoelde, zouden deze grote gaswolken naar het middelpunt van de halo zijn gezakt en vervolgens zijn uiteengevallen tot wolken van stellaire omvang. Uit deze laatste zouden de eerste generaties sterren zijn ontstaan.
Modelberekeningen laten zien dat zulke oerclusters van sterren al binnen 100 miljoen jaar na de oerknal gevormd kunnen zijn. Ze zouden enkele honderdduizenden zonsmassa’s materie bevatten. Dezelfde berekeningen geven aan dat de oerclusters, samen met hun halo’s van koude donkere materie, door onderlinge botsingen tot melkwegstelsels kunnen zijn uitgegroeid. Volgens deze gedachte zullen de grootste melkwegstelsels dus ook de grootste halo’s moeten hebben.
Recente Hubble-waarnemingen van de verre cluster TN J1338-1942 – een groot proto-stelsel met een zwerm van kleinere stelsels eromheen – lijken het hiërarchische model te bevestigen. Maar de ontdekking van grote, ver ontwikkelde stelsels op grote afstanden maant tot voorzichtigheid. Nog geen enkel model voor de evolutie van melkwegstelsels kan alle waarnemingen verklaren.

Meer informatie: http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2004/01/

De geschiedenis van het heelal kan worden ontrafeld door naar objecten op steeds grotere afstanden te kijken. Met het Hubble Ultra Deep Field komen sterrenkundigen in het domein van de eerste melkwegstelsels. (Illustratie: NASA en A. Feild (STScI))

De evolutie van spiraalstelsels volgens de huidige inzichten. Onderaan zijn enkele van de huidige, goed ontwikkelde stelsels te zien. De stelsels in het midden bevinden zich op grotere afstanden en worden dus vroeger in hun ontwikkeling waargenomen. Doordat ze verder weg zijn lijken ze kleiner en door de kosmologische roodverschuiving – het uitrekken van lichtgolven ten gevolge van de uitdijing van het heelal – zien ze er bovendien geler uit. De verste stelsels (bovenaan) hebben wel een schijfstructuur, maar hun spiraalarmen zijn nog niet sterk ontwikkeld. (Illustratie: NASA, ESA, F. Summers en Z. Levay (STScI))

Opnamen van drie grote ruimtetelescopen met elkaar vergeleken. De twee reeksen opnamen tonen twee stukjes van de GOODS-survey. De eerste kolom bestaat uit beelden van de Chandra-röntgentelescoop en toont met name de emissie van superzware zwarte gaten, zoals die in de kernen van (verre) melkwegstelsels voorkomen. Opmerkelijk genoeg zijn deze heldere röntgenkernen op de Hubble-opnamen (midden) niet altijd te zien. De infraroodopnamen van Spitzer (rechter kolom) tonen aan dat zich hier wel degelijk melkwegstelsels bevinden. Waarschijnlijk zijn de stelsels (en hun kernen) gehuld in dichte stofwolken. (Foto’s: NASA/JPL-Caltech/STScI)

In het Hubble Ultra Deep Field zijn ruwweg 10.000 melkwegstelsels te zien, waarvan de verste ruwweg 13 miljard lichtjaar van ons verwijderd zijn. Het mozaïek, dat gemaakt is met de Advanced Camera for Surveys van de ruimtetelescoop, laat een stukje hemel zien dat ongeveer zo klein is als het beeldveld zoals we dat te zien krijgen door een 2,5 meter lang ‘rietje’. Voor het HUDF zijn tussen 24 september 2003 en 16 januari 2004 alles bij elkaar 800 opnamen gemaakt, met een totale belichtingstijd van 11,3 dagen. (Foto: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) en het HUDF Team)

Bij nadere inspectie van het Hubble Ultra Deep Field zijn tientallen zwakke (rode) objecten opgespoord (omcirkeld op deze HUDF-uitsneden). De onderzoekers denken dat dit dwergstelsels zijn waarvan het licht er ongeveer 13 miljard jaar over heeft gedaan om de aarde te bereiken. (Foto’s: NASA, ESA, R. Windhorst (Arizona State University) en H. Yan (Spitzer Science Center, Caltech).

Verre, ‘rode’ melkwegstelsels. Deze Spitzer-opname laat twee zeer heldere infraroodstelsels zien, die op Hubble-opnamen in zichtbaar licht niet of nauwelijks te zien zijn. Aangenomen wordt dat deze jonge stelsels zeer ver weg staan: hun licht zou er ongeveer 12 miljard jaar over hebben gedaan om ons te bereiken. (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Het FORS Deep Field, gemaakt met de Very Large Telescope. De opname is misschien minder scherp en ‘diep’ dan het Hubble Ultra Deep Field, maar omvat een veel groter stuk hemel. Hierdoor zijn op deze foto ongeveer net zo veel stelsels te zien als op de Hubble-opnamen. (Foto: ESO)

De waargenomen aantallen melkwegstelsels op het FORS Deep Field, als functie van de roodverschuiving (c.q. afstand). De verdeling laat een piek zien bij een roodverschuiving van 1 en neemt vervolgens sterk af. Daaruit zou men de conclusie kunnen trekken dat er voorbij z=1 minder stelsels zijn, maar dat is niet zo: op grotere afstanden zijn alleen de helderste stelsels waarneembaar. De verste stelsels (z~7) bevinden zich op een afstand van ongeveer 13 miljard lichtjaar. Merk op dat er op grotere afstanden enkele piekjes in de verdeling zitten, die bevestigen dat de verdeling van (zichtbare) materie in het heelal weliswaar bijna, maar niet helemaal uniform is. (Grafiek: I. Appenzeller)

Klein gedeelte van het zogeheten K20-veld. In het midden staat een melkwegstelsel met roodverschuiving 1,9 dat veel op een reuzenelliptisch stelsel lijkt. Dat zulke omvangrijke, ver ontwikkelde stelsels al zo vroeg in de geschiedenis van het heelal zijn ontstaan, komt als een verrassing. (Foto: Piero Rosati en Bos Fosbury, ESO Garching)

De positie aan de hemel van een aantal van de in dit artikel genoemde ‘diepe’ surveys. (Illustratie: NASA, A. Feild en Z. Levay (STScI).