Met kosmisch trucje terug naar nul; INFRAROODWAARNEMING GEEFT BETER INZICHT IN HISTORIE VAN STERVORMING

Infrarood- en submillimeterwaar- nemingen verschaffen astronomen een bredere kennis van de geschiedenis van de stervorming in het heelal. Uit de waarnemingen blijkt dat de stervorming veel sneller tot stand kwam dan tot voor kort werd aangenomen.

EÉN VAN DE belangrijkste vragen in de moderne sterrenkunde is hoe lang het na het ontstaan van het heelal heeft geduurd voordat zich uit het afkoelende oergas sterren en sterrenstelsels gingen vormen. Om die vraag te kunnen beantwoorden, moeten astronomen steeds dieper het heelal in kijken, omdat alles wat qua afstand ver van ons is verwijderd dat automatisch ook in tijd is. Maar het heelal weet het geheim van zijn vroegste stervorming goed te verbergen en het is pas sinds kort dat astronomen beschikken over instrumenten die in staat zijn een tip van deze sluier op te lichten.

In het huidige heelal staat het tempo van stervorming op een laag pitje: in ons melkwegstelsel en de naburige sterrenstelsels worden per jaar slechts enkele zonsmassa's gas omgezet in sterren. Verder weg en terug in de tijd neemt het tempo van stervorming toe en toen het heelal - waarvan de leeftijd momenteel wordt geschat op ruwweg 14 miljard jaar - ongeveer 5 miljard jaar oud was lijkt die activiteit maximaal te zijn geweest: in de toenmalige starburst-stelsels ontstonden wel honderd of meer zonnen per jaar.

Deze vaststelling is echter vooral gebaseerd op wat we in zichtbaar licht van sterrenstelsels zien en dat is maar een deel van het verhaal. Sterren ontstaan in stofrijke gaswolken en die hebben de eigenschap het geboorteproces verborgen te houden. Het licht van de eerstelingen wordt door het stof geabsorbeerd en omgezet in infrarode straling. Als astronomen een beter inzicht in de historie van de stervorming willen krijgen, zullen ze vooral moeten kijken in het infrarood.

Maar bij het steeds verder terugkijken in de tijd krijgt men tevens te maken met de roodverschuiving van de waargenomen straling. Als gevolg van de uitdijing van het heelal is de nabij-infraroodstraling van sterrenstelsels verschoven naar het mid- en ver-infrarood en bij zeer grote afstanden zelfs naar de millimetergolven. Al deze soorten straling vereisen verschillende soorten detectoren en soms kan die straling alleen buiten de dampkring worden waargenomen. Daarom is dit onderzoek pas in de afgelopen jaren goed van de grond gekomen.

Twee jaar geleden ontdekten Franse en Nederlandse astronomen een zwakke gloed van straling in het ver-infrarood die uit alle richtingen van het heelal kwam. Deze Cosmic Far Infrared Background Radiation was waargenomen door een Amerikaanse satelliet, de Cosmic Background Explorer (COBE), en was het sterkst op golflengten rond de 250 micron. De straling zou afkomstig moeten zijn van de eerste sterrenstelsels in het heelal die op grote schaal sterren aan het voortbrengen waren.

COBE kon niet voldoende scherp waarnemen om die stelsels zèlf te onderscheiden, maar dat kon het Europese Infrared Space Observatory (1995-'98) wèl. Op opnamen in het golflengtegebied tussen 2,5 en 200 micron hebben Franse onderzoekers nu 24 zwakke sterrenstelsels gevonden, waarvan de gezamenlijke straling zo'n tien procent van de door COBE waargenomen gloed in het ver-infrarood zou kunnen veroorzaken. De rest zal afkomstig zijn van zwakkere stelsels. De astronomen, die hun bevindingen binnenkort publiceren in Astronomy and Astrophysics, willen nu proberen de stelsels ook in zichtbaar licht waar te nemen, opdat hun afstand en leeftijd kunnen worden bepaald.

Een ander instrument aan boord van ISO heeft in het middel-infrarood het kleine gebiedje bestudeerd dat de Hubble Space Telescope in december 1995 urenlang in zichtbaar licht heeft gefotografeerd. Dit Hubble Deep Field bevat de zwakste sterrenstelsels die ooit zijn gefotografeerd. ISO heeft gevonden dat sommige van die stelsels in het middel-infrarood veel helderder zijn dan in zichtbaar licht.

De Amerikaanse astronoom Ian Smail heeft een soort kosmische truc toegepast om nog wat dieper in het heelal te kunnen kijken. Hij vergeleek de submillimeterstraling rond twee verre clusters van sterrenstelsels met die uit twee gebieden zonder clusters. Het gravitatieveld van de clusters fungeerde als lens die de straling van alle bronnen er achter versterkte. De achtergrondbronnen stonden veel verder weg dan de clusters, zodat hun straling als gevolg van de uitdijing van het heelal helemaal was verschoven naar het submillimetergebied.

Smail deed zijn waarnemingen met de Brits-Nederlandse James Clerk Maxwell Telescope op Hawaii, een telescoop die pas was voorzien van de allereerste camera die opnamen in het gebied van submillimetergolflengten kan maken. Deze Submillimeter Common User Bolometer Array (SCUBA), gekoeld tot één tiende graad boven het absolute nulpunt, is geoptimaliseerd voor waarnemingen op golflengten van 450 en 850 micron. Via de vergrootglaswerking van de clusters kon Smail afleiden dat het heelal toen het nog geen vijf miljard jaar oud was veel meer starburst-sterrenstelsels bevatte dan men tot nu toe dacht. Hun gezamelijk intensiteit is gelijk aan die van de door COBE waargenomen infraroodgloed.

Tot dezelfde conclusie komt een groep Britse astronomen die eerder dit jaar de camera van de James Clerk Maxwell telescoop heeft gericht op het eerdergenoemde Hubble Deep Field. Vijf van de door SCUBA gefotografeerde submillimeterbronnen blijken samen te vallen met zwakke stelsels op de Hubble-opname die dateren uit de tijd dat het heelal nog maar één tot drie miljard jaar oud was. De stelsels zijn in het infrarood ten minste vijfmaal zo helder als in zichtbaar licht, zodat men mag zeggen dat er in deze zeer vroege periode letterlijk een golf van infrarode straling door het heelal rolde (Nature, 16 juli).

Dank zij de recente infrarood- en submillimeterwaarnemingen beginnen astronomen nu dus een beter inzicht te krijgen in de historie van de stervorming in het heelal, (vrijwel) niet meer gehinderd door de versluierende werking van stof. De waarnemingen laten zien dat astronomen tot voor kort maar een fractie van het werkelijke aantal stervormende sterrenstelsels hebben gezien en dat de stervorming veel sneller op gang kwam dan men tot voor kort dacht. De geschiedenis van deze stervorming is een wezenlijk onderdeel van de bredere vraag hoe het heelal zich vanuit de 'structuurloze' Oerknal heeft weten te ontwikkelen tot de ingewikkelde hiërarchie van nu.

Tot nu toe hebben astronomen alleen nog maar de helderste submillimeterbronnen kunnen waarnemen. Het streven is natuurlijk om ook in dit golflengtegebied veel zwakkere en/of nog verder verdwijderde bronnen te kunnen opsporen, om zo nòg dichter bij de Oerknal te komen. Dit wordt mogelijk met de generatie van nieuwe submillimetertelescopen die nu op de tekentafels ligt. Voorbeelden van deze instrumenten, die mogelijk in de komende tien jaar worden gebouwd, zijn de Europees-Amerikaanse Large Southern Array/Millimeter Array (op aarde) en de Europese Far Infrared Space Telescope (in de ruimte).

Verwarring

De kosmische achtergrondstraling in het ver-infrarood moet niet worden verward met de kosmische achtergrondstraling op golflengten rond één millimeter. Deze straling, die in 1964 werd ontdekt, dateert uit de tijd dat het uitdijende heelal nog maar zo'n 300.000 jaar oud was en 'doorzichtig' begon te worden. Dat gebeurde toen de temperatuur zo ver was gedaald dat materie en straling zich van elkaar konden loskoppelen en fotonen grotere afstanden konden gaan afleggen. De sinds die tijd verder tot 3 Kelvin afgekoelde microgolfstraling is het meest overtuigende bewijs voor de theorie van de Oerknal.

Het verloop van de stervormingsactiviteit in het heelal, waarvan de ouderdom hier is gesteld op 14 miljard jaar. De activiteit in de stelsels in onze naaste omgeving, dus in het heden, is op 1 gesteld. De onderbroken lijn geeft de gemiddelde activiteit zoals die is afgeleid uit waarnemingen aan sterrenstelsels in zichtbaar licht. De getrokken lijn geeft de activiteit die volgt uit recente waarnemingen in het infrarood en nog langere golflengten. Deze waarnemingen wijzen op een veel grotere stervormingsactiviteit, die veel korter na het ontstaan van het heelal (de Oerknal) een maximum bereikte.