Het massieve elliptische sterrenstelsel ESO 325-G004 in de cluster Abell S0740. Er rond liggen nog andere galaxies. Foto: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)

De "zaden" van de meest massieve sterrenstelsels ontstonden al vroeg in de geschiedenis van het heelal

De grootste sterrenstelsels in het heelal, massieve elliptische sterrenstelsel, zijn waarschijnlijk begonnen als enorm dichte objecten in het zeer jonge universum. Daarna zijn die objecten, massieve slapende sterrenstelsels, in de loop van de tijd uitgezet tot ze de enorme omvang van de elliptische sterrenstelsels bereikten. Dat blijkt uit een nieuwe studie van een internationaal team met onder meer de Japanse Subaru Telescoop op Hawaï.

Moderne sterrenstelsel vertonen een grote diversiteit, met onder meer dwergsterrenstelsels, onregelmatige sterrenstelsels, spiraalvormige sterrenstelsels zoals onze Melkweg, en massieve elliptische sterrenstelsels.

Die laatste categorie, massieve elliptische sterrenstelsels, stelt astronomen voor een raadsel. Hoewel ze de meest massieve sterrenstelsels zijn met de meeste sterren - sommige elliptische sterrenstelsels bevatten meer dan 100 biljoen sterren -, zijn bijna alle sterren in die sterrenstelsels oud. Op een bepaald ogenblik in het verleden moeten de voorouders van de massieve elliptische sterrenstelsels zich snel gevormd hebben, en daarna gestopt zijn met het vormen van nieuwe sterren om een of andere reden. 

Gelukkig biedt de eindige snelheid van het licht onderzoekers de mogelijkheid om de klok terug te draaien en het jonge universum te bekijken. Als een sterrenstelsel op 12 miljard lichtjaar van de aarde ligt, moet het licht van dat sterrenstelsel er 12 miljard jaar over gedaan hebben om de aarde te bereiken. En dat betekent dat het licht dat wij nu observeren, het sterrenstelsel 12 miljard jaar geleden moet verlaten hebben, en dat het, met andere woorden, een beeld geeft van hoe het sterrenstelsel er 12 miljard jaar geleden uitzag. Door sterrenstelsels op verschillende afstanden van de aarde te observeren, kunnen astronomen dan ook de geschiedenis van het universum reconstrueren.  

Een valskleurbeeld van een massief slapend sterrenstelsel, in een breedbeeldzicht genomen door de Suprime-Cam op de Subaru Telescoop (grote foto), en een hoge resolutie close-up (inset) door de IRCS (Infrared Camera and Spectrograph) op de Subaru Telescoop.  Foto: NAOJ

Massieve slapende sterrenstelsels

Een internationaal team met onder andere onderzoekers van het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), de Universiteit van Tokio en de Universiteit van Kopenhagen, gebruikte gegevens van de Subaru Telescoop van NAOJ op Mauna Kea op Hawaï en andere telescopen, om te zoeken naar sterrenstelsels op een afstand van 12 miljard lichtjaar. 

In dat staal van sterrenstelsels identificeerden ze massieve slapende sterrenstelsels, massieve sterrenstelsels waar geen actieve vorming van nieuwe sterren meer plaatsvindt, als de waarschijnlijke "voorouders" van de moderne gigantische elliptische sterrenstelsels. Het is verrassend dat volwassen gigantische sterrenstelsels al zo vroeg bestonden, toen het universum nog maar zo'n 13 procent van zijn huidige ouderdom oud was.

Het team gebruikte vervolgens de Subaru Telescoop om hoge resolutie follow-up observaties te doen in het infrarood voor de vijf helderste massieve slapende sterrenstelsels op 12 miljard lichtjaar afstand.   

De Subaru Telescoop in de buurt van de top van de berg Mauna Kea op Hawaï. De Subaru is een zeer grote optische infrarood telescoop met een van de grootste monolithische spiegels in de wereld. Daardoor kan hij erg zwak licht opvangen van objecten in het heelal. (Foto: NAOJ)

Compact maar erg zwaar

De resultaten toonden aan dat de massieve slapende sterrenstelsels, hoewel ze erg compact zijn - slechts zo'n twee procent van de grootte van de Melkweg -, bijna even zwaar zijn als moderne sterrenstelsels. 

Dat betekent dat ze om moderne gigantische elliptische sterrenstelsels te worden, zo'n honderd keer in omvang moeten toenemen, maar slechts zo'n vijf keer in massa. Het team vergeleek de observaties met modellen, en toonde aan dat dit mogelijk zou zijn als de groei werd aangedreven door kleine samensmeltingen, waarbij een groot sterrenstelsel kleinere stelsels kannibaliseert, en niet door grote samensmeltingen waarbij twee gelijkaardige sterrenstelsels samengaan om een groter stelsel te vormen. 

"We zijn zeer opgewonden over de implicaties van onze bevindingen", zei Mariko Kubo in een persmededeling van NAOJ. "Maar we zitten nu aan de resolutie-limiet van de bestaande telescopen. De superieure resolutie van de Thirty Meter Telescope die momenteel ontwikkeld wordt, zal ons toelaten om de morfologie van de verafgelegen sterrenstelsels preciezer te bestuderen. Voor sterrenstelsels die nog verder liggen, nog voorbij 12 miljard lichtjaar, hebben we de volgende generatie James Webb Ruimtetelescoop nodig."

Kubo is een post-doctoraal onderzoeker aan het NAOJ en een van de auteurs van de nieuwe studie. De studie is gepubliceerd in het "Astrophysical Journal" en ze is ook beschikbaar als preprint

Het massieve elliptische sterrenstelsel Centaurus A, gefotografeerd door de Spitzer Space Telescope van de NASA. De parallelogramvormige structuur in het midden is  gezichtsbedrog en het restant van de "laatste maaltijd" van Centaurus A. Het zijn de verwrongen en verbogen overblijfselen van een spiraalvormig sterrenstelsel dat door Centaurus A gekannibaliseerd is. NASA/JPL-Caltech/J. Keene (SSC/Caltech)