Het prille heelal

Astronomen van de Leidse sterrenwacht hebben ver in het heelal een enorme, draaiende wolk waterstofgas ontdekt. Deze dateert uit de tijd dat het heelal nog maar 10 procent van zijn huidige leeftijd en omvang had. De wolk bevindt zich rond een object dat enorme hoeveelheden radiostraling uitzendt en waarschijnlijk een sterrenstelsel-in-wording is. De ontdekking past in een al jaren lopend onderzoek naar de eigenschappen van zeer verre radiosterrenstelsels in het vroege heelal.

Eén van de belangrijkste vragen in de kosmologie is: wanneer en hoe zijn in het heelal de eerste sterrenstelsels ontstaan. Deze prille objecten zijn als gevolg van de uitdijing van het heelal tevens de verste: doordat hun straling er heel lang over heeft gedaan om de aarde te bereiken, zien we deze objecten zoals ze er ooit uitzagen. Het opsporen en bestuderen van verre en lichtzwakke stelsels vergt veel tijd en geduld, maar mede dankzij de radiosterrenkunde begint er schot in dit onderzoek te komen.

De afgelopen jaren hebben Leidse astronomen een effectieve techniek ontwikkeld voor het opsporen van zeer verre sterrenstelsels. Die techniek is gebaseerd op het feit dat verre - en dus jonge - sterrenstelsels veel meer radiostraling produceren dan meer nabije - oudere - stelsels. Terwijl optische telescopen vooral sterrenstelsels laten zien die dichtbij staan, brengen radiotelescopen verre stelsels aan het licht. Daar komt nog bij dat verre sterrenstelsels een zeer 'steil' radiospectrum hebben: de intensiteit van hun radiostraling verandert sterk met de golflengte.

Leidse astronomen hebben een computerprogramma ontwikkeld om uit catalogi met duizenden radiobronnen alleen die met het steile radiospectrum te selecteren. Van die bronnen werd met de Very Large Array radio-interferometer in New Mexico eerst nauwkeurig de positie aan de hemel bepaald, waarna met de 3,5 meter telescoop van de Europese Zuidelijke sterrenwacht in Chili een spectrum werd vastgelegd. Uit dit spectrum kon (via de verschuiving van de spectraallijnen als gevolg van de uitdijing van het heelal) de afstand worden bepaald.

Via deze techniek hebben de Leidse astronomen in totaal 29 radiosterrenstelsels opgespoord die dateren uit de tijd dat het heelal 10 tot 20 procent van zijn huidige leeftijd (en omvang) had. 'Deze groep vormt een uitstekende basis voor verder onderzoek naar de eigenschappen van deze stelsels, dat tot de beantwoording van enkele fundamentele kosmologische vraagstukken zou kunnen leiden', aldus de Leidse astronoom Robert van Ojik. Vorige week woensdag promoveerde hij op onderzoek naar het gas in en rond deze 29 stelsels.

Het meest intrigerende radiostelsel van de groep van 29 heeft het catalogusnummer 1243+036 (de getallen slaan op de positie aan de hemel). Deze bron valt samen met een stelsel dat 12 tot 15 miljard lichtjaar van ons verwijderd staat. Het stelsel wordt omringd door een gebied van gloeiend waterstofgas met een diameter van ongeveer 200.000 lichtjaar, dat straling uitzendt in het rode en infrarode deel van het spectrum. De hoge temperatuur van dit gas hangt samen met twee stromen (jets) energierijke elektronen die uit het centrum van het stelsel worden geschoten en het gas verhitten en in beroering brengen.

Deze waterstofhalo wordt op zijn beurt omringd door een nòg groter gebied van waterstofgas met een diameter van bijna 500.000 lichtjaar, dat niet wordt verstoord door de activiteit in de meer naar binnen gelegen delen. Opmerkelijk is dat de ene rand van deze halo met een relatieve snelheid van 450 km per seconde van ons af beweegt, terwijl de tegenovergestelde rand met eenzelfde snelheid naar ons toe komt. De meest voor de hand liggende verklaring hiervoor is dat deze reuzenhalo roteert, of dat er zich een draaiende schijf van gas in heeft gevormd.

Het is voor het eerst dat astronomen in zo'n grote en jonge structuur systematische bewegingen hebben waargenomen en gemeten. De waterstofhalo zal een overblijfsel zijn van de oerwolk waaruit het sterrenstelsel is ontstaan. De waargenomen bewegingen zijn wellicht kenmerkend voor een bepaalde toestand van het gas rond proto-sterrenstelsels, vóór het moment dat het wordt verstoord door de heftige processen waarmee de geboorte van het sterrenstelsel gepaard gaat. In het centrum van zo'n stelsel kan dan een enorme energie-produktie gaan plaatsvinden, die tot ver buiten het stelsel merkbaar wordt.

Uit de diameter en de rotatiesnelheid van de waterstofwolk concluderen de astronomen dat hij sinds het ontstaan van het heelal (ruim 15 miljard jaar geleden) ongeveer één omwenteling heeft gemaakt. Sommige theorieën over het onstaan van sterrenstelsels en clusters van stelsels voorspellen het bestaan van zulke gigantische 'oerwolken' in het prille heelal. De ontdekking van een wolk rond 1243+036 met precies deze eigenschappen betekent dus een belangrijke steun voor deze theorieën. Een artikel over de ontdekking zal worden gepubliceerd in het Europese vakblad Astronomy and Astrophysics.