Universiteit Leiden

nl en

Hoe sterrenstelsels zich voeden met gas

Met een nieuw waarnemingsinstrument, MUSE, op de Very Large Telescope in Chili, onderzocht David Carton hoe verre sterrenstelsels gas opslokken en 'vervuilen'. Dit kan leiden tot dieper  inzicht in de evolutie van sterrenstelsels.

Kort na de Oerknal, 13,7 jaar geleden, bevatte het heelal alleen maar waterstof- en heliumgas. Na een paar honderd miljoen jaar ontstond daaruit de eerste generatie sterren, maar die klonterden van het begin af aan samen in groepen van miljarden sterren. Dat waren de voorlopers van de huidige sterrenstelsels, waarvan de Melkweg, waar wij zelf in wonen, er één is. 

David Carton

Eigenzinnige definitie van ‘metaal‘

Astronoom David Carton onderzocht het gehalte aan 'metalen' van het gas tussen de sterren in twee categorieën sterrenstelsels: vijftig nabije stelsels, op ongeveer 350 miljoen lichtjaar, en 94 stelsels op een afstand tussen de 1 en 7 miljard lichtjaar.

Astronomen hanteren een eigenzinnige definitie van 'metaal': voor hen is elk chemisch element behalve waterstof  of helium een 'metaal'. De reden is, dat alle metalen ontstaan bij kernreacties in sterren. Als een ster op het eind van zijn leven ontploft of zijn buitenlagen afstoot, komen de metalen vrij en 'vervuilen' het waterstof- en heliumgas tussen de sterren.

In principe zal het interstellaire gas in sterrenstelsels waar al vele generaties sterren zijn ontstaan en vergaan, flink 'vervuild' zijn met metalen. Anderzijds, de enorme massa van een sterrenstelsel trekt uit de ruimte tussen sterrenstelsels weer vers gas aan, dat alleen maar waterstof en helium bevat.  

Carton: 'Het gehalte aan metalen is een nuttige tracer van deze gasstromen.'

Theorie weerlegd

Het metaalgehalte beïnvloedt het lichtspectrum van het gas: elk chemisch element zendt bepaalde karakteristieke golflengtes licht uit. Voor de vijftig nabije sterrenstelsels was de ruimtelijke verdeling van het metaalgehalte goed detecteerbaar met de William Herschel telescoop op La Palma.

Voorheen dacht men, dat sterrenstelsels die relatief veel gas bevatten, juist in hun buitengebieden (de rand van de zichtbare schijf) metaal-arm zouden zijn; immers, het verse gas valt van buitenaf in,  naar het centrum van het sterrenstelsel toe, waar de meeste sterren zich vormen en sterven.

Cartons waarnemingen weerlegden dit. Hij trof weliswaar sterrenstelsels aan met een metaalarme rand, maar die bevatten niet extra veel gas. Wat dit precies betekent voor de gasstromen die de evolutie van een sterrenstelsel bepalen, zullen theoretici verder moeten uitzoeken.     

Eerste waarnemingen van dit type

Voor de 94 verre sterrenstelsels is het heel moeilijk om de ruimtelijke verdeling van het metaalgehalte direct waar te nemen. Sinds kort echter, functioneert op de Very Large Telescope (VLT)  een speciaal instrument, MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer), dat de benodigde spectra kan maken. Carton: 'Dit zijn de eerste waarnemingen van dit type aan sterrenstelsels tussen 1 en 7 miljard lichtjaar.'  

Helaas zorgt turbulentie in de atmosfeer van de aarde altijd voor enige vervaging van het beeld, en als dat maar een paar pixels groot is, zoals bij deze verre sterrenstelsels, kun je nauwelijks nog details onderscheiden. Maar een slimme truc bracht uitkomst. Carton maakte een computermodel van een sterrenstelsel, en simuleerde hoe het beeld eruit moest zien voor diverse verhoudingen in metaalgehalte tussen centrum en rand. Door dit te vergelijken met echte waarnemingen, kreeg hij een redelijk betrouwbare schatting van deze verhouding.

Verrassend resultaat vraagt om herbevestiging

Er blijken sterrenstelsels te bestaan, waar het metaalgehalte in het centrum zelfs lager is dan in de rand. Dit verrassende resultaat moet eigenlijk nog bevestigd worden door waarnemingen aan meer verre sterrenstelsels. Carton vestigt daarvoor zijn hoop op de James Webb ruimtetelescoop, die in 2018 gelanceerd wordt. Die zal hetzelfde soort waarnemingen doen, maar dan nog gedetailleerder.  

David Carton: Resolving gas-phase metallicity in galaxies
Promotor Joop Schaye, co-promotor Jarle Brinchmann
Promotie 29 juni 2017.