Je leest:

Stokoud licht

Stokoud licht

Auteur: | 1 november 2002

In zijn kleine kamertje in het Oortgebouw van de Leidse Sterrenwacht legt promovendus Venemans (24) het voor de zoveelste keer uit. ‘De publiciteit rond zo’n ontdekking kost meer tijd dan ik had verwacht,’ geeft hij toe. Er moest een Engels en een Nederlands persbericht komen over de ontdekking van de allerverste cluster, en het valt beslist niet mee om een breed publiek bij te praten over radiostelsels, roodverschuiving en Lyman-alfastraling. ‘Gelukkig heb ik een paar keer kunnen oefenen op mijn ouders en mijn vriendin.’

De cluster die Venemans en zijn collega’s hebben ontdekt, staat zo ver weg dat het licht ruim dertien miljard jaar nodig heeft gehad om de aarde te bereiken. De cluster bestond dus al toen het heelal nog maar tien procent van de huidige leeftijd had. De oerknal waarmee het heelal zo’n vijftien miljard jaar geleden ontstond, was echter heel gelijkmatig. Het is dan ook moeilijk te verklaren hoe er in het uitdijende heelal zo snel al grote samenballingen van materie ontstonden.

Radiotelescoop

Hoe kom je verre clusters op het spoor? Ze zijn betrekkelijk zeldzaam, dus het heeft geen zin om je telescoop op een willekeurige plaats aan de hemel te richten en een lang belichte foto te maken. Je vindt zeer waarschijnlijk niets. Radiostelsels bieden uitkomst, zo lieten onderzoeksleiders George Miley en Huub Röttgering enkele jaren geleden al zien. Radiostelsels zijn grote sterrenstelsels met een kolossaal zwart gat in de kern. Ze spuwen twee straalstromen van heet gas de ruimte in, die enorm veel radiostraling uitzenden. Met een radiotelescoop zoals die in Westerbork zijn ze tot op vele miljarden lichtjaren afstand gemakkelijk te zien.

Maar een ver radiostelsel is nog geen verre cluster. Anders gezegd: het feit dat er in de vroege jeugd van het heelal al sterrenstelsels bestonden, wil nog niet zeggen dat die stelsels zich ook al begonnen te groeperen. Met andere woorden dat de grote-schaalstructuur van het heelal toen al in de maak was. Om te weten of zo’n radiostelsel deel uitmaakt van een cluster, moet je in de omgeving op zoek gaan naar andere sterrenstelsels. En die zijn veel moeilijker te vinden: ze zenden geen radiostraling uit, en op die enorme afstand is het zichtbare licht van een sterrenstelsels zelfs met de grootste telescopen ter wereld nauwelijks waarneembaar.

De vier eenheden van de Very Large Telescope staan op de berg Paranal in Chili. De 4 8.2 m telescopen worden hebben elk een beschermend gebouwtje. Bron: University of South Dakota

Roodverschuiving

De Very Large Telescope (VLT) kan ze echter wél zien. Op de lang belichte VLT-foto’s zijn rondom de verre radiostelsels vele honderden minuscule lichtvlekjes zichtbaar. Sommige daarvan maken misschien deel uit van een verre cluster, waarvan het zware radiostelsel de ‘kern’ vormt. De vraag is: hoe vind je die? Op dezelfde foto’s staan namelijk ook talloze zwakke sterrenstelseltjes op veel kleinere afstanden.

Sterrenkundigen kunnen de afstand van een sterrenstelsel bepalen door de roodverschuiving te meten. Het licht van een ver verwijderd stelsel reist miljarden jaren lang door het uitdijende heelal, en daardoor worden de lichtgolven uitgerekt. Ze komen dus met een langere (rodere) golflengte op aarde aan dan waarmee ze werden uitgezonden. Hoe groter die roodverschuiving is, des te groter is de reistijd van het licht, en des te verder staat het waargenomen object.

Volgens Venemans heeft het echter geen zin om van alle lichtvlekjes op de VLT-foto’s de roodverschuiving te meten. Dat is een zeer tijdrovende klus, en de overgrote meerderheid van de objecten zijn waarschijnlijk toch voorgrondstelsels. Liever zou je een truc toepassen waarmee je meteen de sterrenstelsels eruit pikt die op dezelfde afstand staan als het radiostelsel.

Cluster-in-wording

Die truc is er, en deze is door Venemans en zijn collega-promovendus Jaron Kurk met succes toegepast op vier verre radiostelsels. In alle vier de gevallen ontdekten de astronomen dat het radiostelsel deel uitmaakt van een grote cluster-in-wording. Vermoedelijk bevinden álle verre radiostelsels zich in het centrum van zo’n cluster.

De truc zit ’m in het feit dat heet waterstofgas ultraviolette straling uitzendt met een golflengte van 121,6 nanometer – de zogeheten Lyman-alfastraling. Omdat vrijwel elk sterrenstelsel waterstofgas bevat, dat verhit wordt door pasgeboren sterren, wordt er enorm veel Lyman-alfastraling in het heelal geproduceerd.

Op weg naar de aarde raakt die ultraviolette Lyman-alfastraling natuurlijk ook roodverschoven. De golflengte waarmee de straling op aarde aankomt, is afhankelijk van de afstand van het stelsel waarin de straling is geproduceerd. Dus als je op zoek bent naar sterrenstelsels op een bepaalde afstand, moet je op zoek naar Lyman-alfastraling met een heel specifieke roodverschuiving.

Er werden waarnemingen verricht aan het radiostelsel TN J1338-1942 in het sterrenbeeld Maagd. Het staat op ruim dertien miljard lichtjaar afstand – zo ver weg dat sterrenkundigen het stelsel zien zoals het eruit zag toen het heelal tien keer zo jong en ruim vijf keer zo klein was als nu. Door de uitdijing van het heelal komt het licht van het stelsel – en van naburige stelsels op dezelfde afstand – op aarde aan met een golflengte die 5,1 keer zo groot is als waarmee het werd uitgezonden.

Dat betekent dat de Lyman-alfastraling niet wordt waargenomen op een golflengte van 121,6 nanometer, in het ultraviolet, maar op een golflengte van 620,2 nanometer, in het rode deel van het spectrum. ‘Bij een Amerikaans bedrijf hebben we een speciaal roodfilter laten maken dat alleen straling van deze golflengte doorlaat,’ vertelt Venemans. ‘Op die manier pikken we de sterrenstelsels die even ver weg staan als het radiostelsel er zo uit: die zijn op deze golflengte opvallend helder.’

Voor de zekerheid is van alle ‘verdachte’ stelsels vervolgens de roodverschuiving nauwkeurig gemeten, zodat er geen twijfel over bestaat dat ze op dezelfde afstand staan als het radiostelsel. Dat spectroscopisch onderzoek is alleen mogelijk dankzij de enorme gevoeligheid van de Very Large Telescope.

Volgens de Leidse astronomen is de ‘sterrenstelseldichtheid’ in de cluster ongeveer tien keer zo groot als in de rest van het heelal. Toch vormen de omcirkelde lichtvlekjes op de VLT-foto nog maar het topje van de ijsberg, aldus Venemans. ‘Lyman-alfastraling wordt weliswaar veel geproduceerd, maar het wordt ook gemakkelijk geabsorbeerd. Sterrenstelsels met veel stof of met veel koel waterstofgas zie je niet op deze golflengte.’ Het werkelijke aantal stelsels in de cluster is dus nog aanzienlijk groter.

Voor het komende jaar staan nog twee andere verre radiostelsels op het programma. Een daarvan heeft een nog grotere roodverschuiving dan TN J1338-1942. De verwachting is dan ook dat er binnen afzienbare tijd een nieuwe ‘verste cluster’ zal worden gevonden.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 6 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.