Sterpopulaties evolueren van jong en heet naar rijp en warm

Een diepe uitsnede van het heelal van verleden naar heden heeft een unieke, historische 'volkstelling' onder sterren opgeleverd. Gecombineerde waarnemingen met de ESO Very Large Telescope in Chili en de Hubble Ruimtetelescoop tonen aan dat in de meeste sterrenstelsels, net als in vergrijzende Westerse landen, de gemiddelde leeftijd van sterren stijgt, aangezien er niet genoeg geboortes plaatsvinden om de overledenen op te volgen. Jonge sterren zijn heet en blauw, terwijl oude sterren koeler en roder zijn, zodat ook het heelal als geheel steeds roder wordt. 2,5 miljard jaar na de Oerknal was het nog blauw, maar nu, 11 miljard jaar later, is het beige.

De 'ware' kleur van het heelal bepalen is lastig, ten eerste al omdat te twisten valt over wat deze term moet betekenen. De uitdijing van het heelal zorgt voor een 'roodverschuiving' in al het sterlicht die evenredig is met de afstand. Dit betekent dat al op afstanden groter dan 100 miljoen lichtjaar de intrinsieke kleur van een sterrenstelsel duidelijk verschilt van de door ons waargenomen kleur, en naarmate de afstand toeneemt, verschuift steeds meer van het optische sterrenlicht naar infrarood. Alleen als een waarnemer buiten het heelal kon gaan staan - waardoor de gemiddelde roodverschuiving van alle sterrenstelsels nul wordt - zou de intrinsieke kleur van het heelal te zien zijn. Dat is wat een internationaal team van onderzoekers , waaronder Marijn Franx en zes collega's van de Leidse Sterrewacht, nu in zekere zin gedaan heeft. Zij bepaalden de afstand en de totale optische en infrarood emissie van een groot aantal sterrenstelsels in een minuscuul, maar beroemd stukje van de hemel, de 'Hubble Deep Field South'. Met behulp van de afstands-data konden ze de roodverschuiving in het licht van de sterrenstelsels kunstmatig 'terugschuiven'. De afstand (in lichtjaren) geeft tevens aan hoe ver we naar elk sterrenstelsel 'terug in de tijd' kijken. De afstand (in lichtjaren) geeft tevens aan hoe ver we naar elk sterrenstelsel 'terug in de tijd' kijken. Door het licht van alle sterrenstelsels in een bepaald afstandsinterval op te tellen, kon de ware kleur van het heelal in elk tijdperk berekend worden. Teamleider Gregory Rudnick legt uit: 'Het licht van deze sterrenstelsels is zo lang onderweg geweest en was zo zwak, dat de telescoop in totaal meer dan een week op hetzelfde gebiedje gericht moest blijven om het te zien. Dankzij deze unieke foto kijken we 11 miljard jaar terug in de tijd en kunnen we vaststellen dat het heelal toen veel blauwer was dan vandaag.' De metingen lopen vanaf de tijd dat het heelal nog geen 20 procent van z'n huidige leeftijd bereikt had tot nu, 13, 7 miljard jaar na de Oerknal. Het heelal blijkt over dat hele tijdsinterval gelijkmatig steeds roder te worden.

Figuur 1 [Normaal - TIFF: 938k] [Groot - TIFF: 3.6M] [Normaal - JPEG: 10k] [Groot - JPEG: 25k]

Bijschrift: Figuur 1 Een serie opnamen van heldere sterrenstelsels in het `Hubble Deep Field South', horizontaal gesorteerd naar de leeftijd van het heelal toen ze hun licht uitzonden. De oerknal is tijdstip nul, nu is 13,7 miljard jaar later. De kleuren zijn gecorrigeerd voor de roodverschuiving en tonen dus de stelsels zoals we ze zouden zien als het heelal niet uitzette. De mate van roodheid komt overeen met de gemiddelde leeftijd van de sterren in een sterrenstelsel. De balk onderaan toont de gemiddelde kleur van de sterrenstelsels in elke vertikale band en daarmee in elke fase in de geschiedenis van het heelal.

Marijn Franx: 'De blauwe kleur van het vroege heelal is het gevolg van de jeugdige leeftijden van de sterren die toen de sterrenstelsels bevolkten. Omdat we weten dat jonge, blauwe sterren veel meer licht uitstralen dan oude, rode sterren, kunnen we ook concluderen dat het aantal sterren in het jonge heelal veel lager was dan nu, want de totale hoeveelheid licht toen blijkt ongeveer hetzelfde te zijn. Onze resultaten betekenen dat relatief veel sterren nogal laat in de geschiedenis van het heelal gevormd zijn, niet lang voordat ook onze zon ontstaan is.' Dit resultaat, dat goed aansluit bij wat al bekend was over leeftijden van sterren in ons deel van het heelal, geeft voor het eerst direct zicht op de evolutie van sterpopulaties gedurende een groot deel van de geschiedenis van het heelal. De leeftijden van individuele sterren lopen enorm uiteen, van minder dan een miljoen tot vele miljarden jaren. In de meeste sterrenstelsels ontstaan echter telkens nieuwe sterren uit het gas en stof dat de ruimte tussen de sterren vult. Op elk moment zal een modaal sterrenstelsel dus sterren van alle leeftijden bevatten. De leeftijdsverdeling in individuele sterrenstelsels kan abrupt veranderen door starbursts, geboortegolven van sterren, bijvoorbeeld als twee sterrenstelsels samensmelten of door heftige uitbarstingen in het centrum. Gemiddeld over alle sterrenstelsels blijkt er echter een duidelijke, gelijkmatige verouderingstrend in de sterpopulatie op te treden.

Het team gebruikte voor de waarnemingen ISAAC, een geavanceerde infrarood camera op de VLT. Het Hubble Deep Field South gebiedje - honderd maal zo klein als de volle maan - werd gekozen omdat de Hubble Ruimtetelescoop er ook optische opnamen van gemaakt heeft met een extreem lange belichtingstijd. De ISAAC-opnamen registreren infrarood licht met een golflengte tot 2,3 micron, een gebied waar de camera's van de Hubble Ruimtetelescoop nauwelijks gevoelig zijn. Juist de optimale combinatie van opnamen vanuit de ruimte en vanaf de aarde zorgt hier voor meerwaarde.

Dit onderzoek verschijnt in de 20 december editie van The Astrophysical Journal ('The rest frame optical luminosity density, color and stellar mass density of the Universe from z=0 to 3, by Gregory Rudnick et al.')

Meer informatie

Het onderzoek van Franx en z'n collega's maakt deel uit van een veel omvangrijker research-programma op dat gebied, FIRES (Faint Infrared Extragalactic Survey).

Het volledige wetenschappelijke artikel over dit onderzoek ( "The rest frame optical luminosity density, color and stellar mass density of the Universe from z=0 to 3" by Gregory Rudnick et al.) zal binnenkort verschijnen in het vakblad 'Astrophysical Journal'.

Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt dankzij de ondersteuning van NWO (email)

[1]Dit persbericht werd uitgegeven in samenwerking met de persdienst van ESO, zie ook http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2003/pr-34-03.html.

[2]Het FIRES team bestaat uit: Marijn Franx, Ivo Labbé, Natascha M. Förster Schreiber, Paul van der Werf, Huub Röttgering, Lottie van Starkenburg, Arjen van de Wel and Konrad Kuijken (Sterrewacht Leiden, Nederland), Gregory Rudnick (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Duitsland), Hans-Walter Rix and Ignacio Trujillo (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Germany), Alan Moorwood and Emanuele Daddi (ESO, Garching, Duitsland) and Pieter G. van Dokkum (Yale, New Haven, VS).

[4] Algemene informatie over Deep Field Opnames: http://www.astronomy.nl/tour/2/2c.html
Technische informatie over de VLT: http://www.eso.org/projects/vlt/
Technische informatie over ISAAC:http://www.eso.org/instruments/isaac/

Contactadressen

Marijn Franx
Sterrewacht Leiden
Telefoon: 071-527-5870
email: franx@strw.leidenuniv.nl