Chapter 1 Nederlandse samenvatting 1. Elementen van de sterrenkunde Het heelal is bezaaid met miljarden sterrenstelsels die als eilanden van vele soorten en maten in een donkere oceaan van onvoorstelbare afmeting verspreid liggen (zie afbeelding 1). Deze sterrenstelsels (waarvan onze Melkweg er slechts één is) zijn opgebouwd uit miljarden sterren (zoals onze zon) en vermoedelijk bevinden vele sterren zich ook te midden van een systeem van planeten (zoals ons zonnestelsel). Het gezamenlijke licht van hun sterren geeft sterrenstelsels een aantal karakteristieke eigenschappen, zoals bijvoorbeeld hun helderheid (ook wel uitgedrukt in magnitude), hun afmeting (gemeten in kiloparsecs, 1 kpc is zo n 200 miljoen maal de afstand van de aarde tot de zon), en hun kleur (het verschil in helderheid gemeten in verschillende golflengtegebieden, bijvooorbeeld ultraviolet, blauw, rood, infrarood of radio). Deze en nog vele andere eigenschappen zijn het gevolg van natuurkundige en chemische processen die zich in sterren en sterrenstelsels afspelen. De sterrenkunde bestudeert deze astrofysische processen. Het licht van sterren en sterrenstelsels dat met telescopen versterkt wordt opgevangen is reeds in het verleden uitgezonden. Dit komt omdat de afstanden in het heelal erg groot zijn en licht zich niet oneindig snel voortplant. Zo heeft licht afkomstig van de zon bijvoorbeeld acht minuten nodig om de aarde te bereiken. Dus wil je weten hoe de zon er precies op dit moment uitziet? Kijk dan pas over acht minuten even naar buiten! De afstand tussen de zon en de aarde is - astronomisch gezien - een split-second. Het licht van de dichtstbijzijnde sterren in onze Melkweg heeft enkele lichtjaren nodig om ons te bereiken, en het licht van de sterren van andere sterrenstelsels heeft miljoenen of zelfs miljarden lichtjaren afgelegd alvorens de aarde te bereiken. Door sterrenstelsels op verschillende afstanden te bestuderen, komen sterrenkundigen dus meteen te weten hoe sterrenstelsels er vroeger uitzagen. 2. Kosmologie en de structuur van het heelal De eigenschappen van het heelal worden echter niet alleen bepaald door de eigenschappen van de individuele sterrenstelsels. Als je kijkt naar de verdeling 1
2 CHAPTER 1. NEDERLANDSE SAMENVATTING Afbeelding 1 Sterrenstelsels in de Hubble Ultra Deep Field (HUDF) gezien met de Hubble ruimtetelescoop. Deze opname, de diepste opname van het heelal ooit gemaakt, toont de verscheidenheid aan sterrenstelsels in een gebiedje ter grootte van één-tien-miljoenste deel van de gehele hemel. Bron: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) en het HUDF Team. van sterrenstelsels door de ruimte, dan heeft het heelal een uiterst complexe structuur. Sterrenstelsels staan namelijk niet willekeurig door het heelal verspreid, maar vormen een kosmisch web waarin kleine en grote groepen van sterrenstelsels met elkaar verbonden zijn door middel van dunne, draadvormige structuren van weer andere sterrenstelsels. Het kosmische web bestaat behalve uit de zichtbare materie van de sterrenstelsels ook uit zogenaamde donkere materie. Deze mysterieuze materie is tot nog toe op geen enkele manier direct waargenomen, maar zijn aanwezigheid verraadt zich door zijn interactie met de sterrenstelsels via de onderlinge aantrekkingskracht die op talloze manieren uit sterrenkundige waarnemingen blijkt. De karakteristieke structuur van de sterrenstelsels en donkere materie tezamen noemen we de grote-schaal structuur van het heelal (zie afbeelding 2). Uit metingen van de kosmische achtergrondstraling weten we dat de huidige
3 Afbeelding 2 De grote-schaal structuur van het heelal, geïllustreerd aan de hand van computersimulaties. De bovenste afbeeldingen tonen de verdeling van de donkere materie (links) en de sterrenstelsels (rechts, aangegeven met de circels) in een groot gebied rondom een cluster. De onderste afbeeldingen tonen een uitvergroting van deze cluster. Bron: V. Springel et al., Nature, 435, 629, (2005). grote-schaal structuur niet altijd hetzelfde is geweest. Zwakke microgolven uit alle richtingen van het heelal tonen aan dat het heelal zo n 14 miljard jaar geleden is ontstaan uit een zogenaamde oerknal. In tegenstelling tot de grote variatie in de verdeling en de eigenschappen van sterrenstelsels in het huidige heelal, vertoont de microgolfstraling slechts hele kleine variaties in de intensiteit. Dit betekent dat vlak na de oerknal alle materie zeer gelijkmatig over het heelal verdeeld moet zijn geweest. De kosmologie houdt zich bezig met het zoeken naar astrofysische verklaringen voor hoe de huidige grote-schaal structuur uit de oerknal tot stand is gekomen. De observationele kosmologie, waarin men de grote-schaal structuur op steeds grotere afstanden van de Melkweg en dus tot ver in het verleden in kaart probeert te brengen, speelt hierin een belangrijke rol. Grote telescopen, zoals de Very Large Telescope (VLT) in Chili en de Hubble ruimtetelescoop, gebruiken grote spiegels om het licht van de uiterst zwakke sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand op te vangen, zodat de structuur van het heelal ook op die afstanden bestudeerd kan worden.
4 CHAPTER 1. NEDERLANDSE SAMENVATTING Afbeelding 3 Het radiosterrenstelsel Cygnus A. De enorme radiostraling is afkomstig van een zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel. Het sterrenstelsel zelf is niet veel groter dan het zwarte stipje in het midden. Bron: R. Perley, C. Carilli & J. Dreher (NRAO/AUI). 3. Het ontstaan van sterrenstelsels en clusters De wijze waarop de structuur van het heelal zich ontwikkeld heeft kan in grote lijnen door de kosmologie verklaard worden, maar vele details zijn onbekend. De gangbare theorie beschrijft hoe kleine variaties in de materiedichtheid kort na de oerknal onder de invloed van zwaartekracht uitgroeiden tot steeds grotere concentraties van de donkere materie, en hoe vervolgens in het centrum van deze concentraties de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden. De eerste generaties sterren bestonden enkel uit die elementen die na de oerknal aanwezig waren, waterstof en helium. Alle andere elementen die we van het periodiek systeem kennen zijn het gevolg van (astro-)fysische processen tijdens de evolutie van sterren. De leeftijden (jong of oud), magnituden (helder of zwak), kleuren (blauw of rood) en morfologische kenmerken (elliptisch, spiraalvormig of onregelmatig, groot of klein) van de sterrenstelsels die we waarnemen zijn het gevolg van de evolutie van zowel de sterren als de sterrenstelsels zelf. Aangenomen wordt dat vooral in de beginfase van de ontwikkeling van het heelal kleine sterrenstelsels zijn gegroeid door samen te smelten met andere sterrenstelsels. Op deze manier moet het heelal uiteindelijk zijn huidige samenstelling en hiërarchische structuur gekregen hebben. Gebieden in het jonge heelal waar de fluctuaties in de materiedichtheid het grootst waren, groeiden gedurende miljarden jaren uit tot de grootste concentraties van donkere materie en sterrenstelsels. De meest extreme voorbeelden hiervan zijn de clusters van sterrenstelsels. Clusters bestaan uit vele honderden sterrenstelsels die dichtbijeengepakt in een enorme wolk of halo van donkere materie en gas bewegen. De totale massa van zulke halo s bedraagt honderd tot duizend maal de massa van de Melkweg. Alhoewel de eigenschappen van sterrenstelsels tot diep in het heelal bestudeerd kunnen worden, blijkt de ontwikkeling van clusters van sterrenstelsels veel moeilijker te onderzoeken. Dit komt doordat clusters uiterst zeldzaam zijn in het heelal. Bovendien waren de dichtheidverschillen tussen clusters en hun omgeving vroeger vele malen kleiner
5 en daardoor zijn ze moeilijk te onderscheiden in de overvloed aan voor- en achtergrondstelsels. De meest verre clusters die tot nu toe gevonden zijn, staan op een afstand van ongeveer negen miljard lichtjaar. Dit toont aan dat zelfs sommige van de allergrootste structuren in het heelal zich al vrij vroeg ontwikkelden. Door hun grote massa, gigantische afmeting en hoge leeftijd zijn deze objecten uitermate geschikt om de theorie voor de ontwikkeling van de grote-schaal structuur van het heelal te testen. Omdat clusters grote groepen van relatief rode, oude sterrenstelsels bevatten zal hun licht gemeten in een rood filter duidelijk afsteken tegen dat in een blauw filter. Een veel gebruikte methode om clusters van sterrenstelsels te vinden is dus om waarnemingen te doen over een groot gebied aan de hemel in zowel een blauw als een rood filter en te zoeken naar groepen van vooral rode objecten. Deze techniek is echter moeilijk toepasbaar voor het zoeken naar clusters op de allergrootste afstanden. Ten eerste verschuift ten gevolge van de uitdijing van het heelal het licht van ver weg gelegen objecten naar langere (rodere) golflengten. Hoe verder weg de objecten staan, hoe groter deze roodverschuiving (de wet van Hubble). Voor de clusters die het verst weg liggen moeten de waarnemingen gedaan worden op infrarode golflengten, wat technisch gezien relatief moeilijk is. Ten tweede verwacht men dat naarmate de clusters verder weg staan (en dus jonger zijn), ze nog geen karakteristieke rode stelsels hebben maar vooral blauwe, jonge stelsels die veelvuldig voorkomen in het heelal, ook buiten clusters. Een andere techniek om ver weg gelegen clusters te vinden maakt gebruik van de karakteristieke röntgenstraling die uitgezonden wordt door het zeer hete clustergas van ongeveer 10 miljoen graden. Op deze manier heeft men met satellieten die gevoelig zijn voor röntgenstraling een aantal van de grootste en meest verre clusters gevonden. Ondanks het feit dat men met deze twee technieken vele interessante ontdekkingen met betrekking tot clusters heeft gedaan, zijn de mogelijkheden om clusters te vinden in het nog vroegere heelal zeer beperkt. 4. Radiosterrenstelsels en protoclusters Radiosterrenstelsels behoren tot het type sterrenstelsels met een zogenaamde aktieve kern. In het centrum van deze stelsels bevinden zich de grootste zwarte gaten die in het heelal bestaan. De massa van deze zwarte gaten is vergelijkbaar met die van een klein sterrenstelsel, maar de afmeting is oneindig klein. Rondom deze zwarte gaten vinden hoogenergetische processen plaats, die onder andere krachtige radiostraling kunnen veroorzaken (zie afbeelding 3). Deze straling is tot diep in het heelal waarneembaar, bijvoorbeeld met de radiotelescopen in Westerbork. Nader onderzoek van radiosterrenstelsels heeft aangetoond dat ze behoren tot de meest massieve stelsels in het vroegere heelal. In het nabije heelal zien we dat de centra van clusters bevolkt worden door hele zware stelsels (zie ook afbeelding 2) en deze stelsels hebben, net als de radiosterrenstelsels, massieve zwarte gaten in hun kern. Deze overeenkomsten in eigenschappen zouden kunnen duiden op een verband tussen radiosterrenstelsels en het ontstaan van clusters. Een van de theoretische voorspellingen voor het ontstaan van clusters is dat deze ontstonden rondom de grootste objecten die er tot dan toe in het heelal waren en dat deze stelsels bovendien een fase van kernaktiviteit doormaakten door de toestroom van materiaal naar het
6 CHAPTER 1. NEDERLANDSE SAMENVATTING Afbeelding 4 Een foto van de Hubble ruimtetelescoop in zijn baan om de aarde. Bron: NASA. zwarte gat. Waarnemingen van verre radiosterrenstelsels hebben aangetoond dat in de buurt van deze stelsels zich inderdaad vaak grote groepen van kleinere stelsels ophouden. Het is waarschijnlijk dat deze objecten, de zogenaamde protoclusters, de voorouders van clusters van sterrenstelsels zijn. De studie van de protoclusters maakt het dus mogelijk om het ontstaan van enkele van de meest spectaculaire objecten in het heelal tot op vele miljarden jaren terug in de tijd te traceren. 5. De Advanced Camera for Surveys van de Hubble ruimtetelescoop In maart 2002 werd met de Space Shuttle Columbia een nieuwe camera naar de Hubble ruimtetelescoop (zie afbeelding 4) gebracht en door de astronauten tijdens een ruimtewandeling geïnstalleerd. Omdat de telescoop zich buiten de dampkring van de aarde bevindt kunnen sterrenkundigen met behulp van de Advanced Camera for Surveys (ACS) ongekend scherpe en gevoelige foto s maken van sterrenstelsels op vele miljarden lichtjaren afstand. Het merendeel van het onderzoek dat beschreven is in dit proefschrift is gebaseerd op opnamen met de ACS. We bestudeerden onder andere de eigenschappen van enkele ver weg gelegen radiosterrenstelsels en zochten naar protoclusters van sterrenstelsels in hun directe omgeving. Foto s door verschillende filters werden gebruikt om een selectie te maken van sterrenstelsels die ruwweg in de omgeving van de radiostelsels staan. Het licht van ver weg gelegen stelsels wordt tijdens de lange
7 weg naar de aarde gedeeltelijk geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken. Hoe langer de reis, hoe meer licht er wordt geabsorbeerd. Deze verzwakking van het licht door het intergalactische medium vindt bovendien voor elke roodverschuiving op een specifieke plek in het spectrum plaats, zodat met strategisch gekozen filters sterrenstelsels op de gewenste roodverschuiving (en dus afstand) gezocht kunnen worden. Ook stelden deze waarnemingen ons in staat om de eigenschappen van reeds eerder geïdentificeerde radiostelsels en hun protoclusters te onderzoeken. Dit project is onderdeel van een omvangrijk onderzoek naar de oorsprong van clusters van sterrenstelsels, een relatief jong onderzoeksgebied met nog talloze onopgeloste vraagstukken. 6. De inhoud van dit proefschrift Hieronder geven we een kort overzicht van de inhoud van elk van de hoofdstukken in dit proefschrift. Hoofdstuk 2 In dit hoofdstuk onderzoeken we de clustering, of samenklontering, van radiosterrenstelsels op kosmologische afstanden. Radiosterrenstelsels zijn sterker geclusterd dan normale (d.w.z. niet aktieve) sterrenstelsels. Dit duidt erop dat radiosterrenstelsels een speciale positie binnen de grote-schaal structuur innemen. Mogelijk bevinden ze zich vooral op plaatsen waar men relatief grote sterrenstelsels en/of groepen of clusters van sterrenstelsels vindt. Hoofdstuk 3 In dit hoofdstuk beschrijven we waarnemingen van verre radiosterrenstelsels met de Chandra röntgensatelliet. De röntgenstraling van deze radiosterrenstelsels wordt voor een belangrijk deel veroorzaakt doordat fotonen (lichtdeeltjes) afkomstig van de microgolfachtergrondstraling door middel van een verstrooiingsproces energie stelen van electronen afkomstig van de radiobron en daardoor een kortere golflengte krijgen. We zoeken ook naar de aanwezigheid van heet gas en quasars (aktieve sterrenstelsels), omdat beide een indicatie voor jonge clusters in de omgeving van de radiostelsels kunnen zijn, maar hebben daarvoor nog geen aanwijzingen gevonden. Hoofdstukken 4 & 5 In deze hoofdstukken tonen we de resultaten van een grote studie met de ACS van een van de beste voorbeelden van een protocluster rond radiosterrenstelsels: TN J1338 1942. Naast de objecten die eerder gevonden waren door middel van een karakteristieke waterstoflijn in hun spectrum op dezelfde roodverschuiving als het radiostelsel, vinden we een grote hoeveelheid aan nieuwe objecten op ruwweg dezelfde afstand. Deze objecten, waarvan de afstand echter niet exact kan worden bepaald, vertonen een sterke clustering rond het radio stelsel en zijn extra bewijs dat in dit veld een massieve cluster in aanbouw is. We bepalen de typische stervormingsnelheden, afmetingen, morfologieën en massa s van deze objecten. De eigenschappen van TN J1338 1942 zouden representatief kunnen zijn voor de eigenschappen van clusters die in een zeer vroeg stadium van hun evolutie verkeren. Hoofdstuk 6 In dit hoofdstuk bestuderen we enkele bijzondere astrofysische processen die zich afspelen in het radiosterrenstelsel TN J1338 1942. De grote mate waarin dit stelsel sterren vormt en het feit dat het in een protocluster omgeving ligt (zie hoofdstukken 4 & 5) kunnen betekenen dat dit stelsel het dominante clusterstelsel in wording is. Het totale systeem bestaat uit een paar
8 CHAPTER 1. NEDERLANDSE SAMENVATTING afzonderlijke stelsels die elk de afmeting van een klein sterrenstelsel hebben. De stervorming in dit stelsel wordt mogelijk veroorzaakt door de wisselwerking tussen de radiostraling en het aanwezige gas. We vinden ook aanwijzingen voor de uitstroom van gas in een zogenaamde superwind, een proces waarbij de straling afkomstig van hevige stervorming in sterrenstelsels gas tot op grote afstanden buiten het stelsel blaast. De superwind en de interactie tussen het gas en de radiostraling zijn voorbeelden van ingewikkelde terugkoppelingen die mogelijk belangrijk zijn tijdens het ontstaan van massieve sterrenstelsels. Hoofdstuk 7 Hier bestuderen we het verst bekende radiosterrenstelsel, TN J0924 2201, met een roodverschuiving van 5.2. Foto s met de ACS tonen aan dat dit stelsel, afgezien van zijn radiostraling, niet zo veel verschilt van andere (niet-aktieve) sterrenstelsels op deze roodverschuiving. De oppervlaktedichtheid van stelsels in de omgeving van het radiosterrenstelsel is ongeveer twee keer zo hoog als men voor een willekeurig veld zou verwachten. Dit is in overeenstemming met de eerdere ontdekking van zes stelsels met een waterstoflijn op de roodverschuiving van het radiostelsel en dus dat dit stelsel deel uitmaakt van een grote structuur van stelsels. Hoofdstuk 8 De ACS heeft de detectie van sterrenstelsels op een roodverschuiving van 6 relatief eenvoudig gemaakt. Deze enorme roodverschuiving correspondeert met een zo grote afstand dat we de sterrenstelsels zien zoals ze er uitzagen toen het heelal slechts zo n 7% van zijn huidige leeftijd had! We meten de mate van clustering van ongeveer 500 van deze objecten en vinden dat zelfs in het vroege heelal sterrenstelsels al aanzienlijk geclusterd zijn. Deze blauwe, sterrenvormende stelsels op roodverschuiving 6 zijn mogelijk de voorlopers van relatief oude, massieve stelsels die later in het heelal (en dus dichterbij) te vinden zijn. Hoofdstuk 9 We zoeken in de omgeving van een krachtige radiobron op roodverschuiving 6 naar begeleiders die kunnen duiden op grote-schaal structuur rond deze quasar. Het aantal stelsels dat we vinden op ongeveer dezelfde roodverschuiving is groter dan het verwachte aantal van dit soort stelsels in willekeurige velden. Onze bevinding is in overeenstemming met recente simulaties van het ontstaan van clusters, die voorspellen dat de eerste tekenen van het ontstaan van clusters van sterrenstelsels mogelijk rond heldere quasars op zeer hoge roodverschuiving te vinden zijn. Het feit dat de door ons ontdekte stelsels zo zwak zijn maakt het helaas moeilijk om een fysische relatie met de quasar definitief aan te tonen. Hoofdstuk 10 In dit hoofdstuk geven we een uitgebreid overzicht van de tot nu toe gevonden bewijzen voor vormende clusters zeer vroeg in het heelal. We laten zien dat de structuren die gevonden zijn rondom radiostelsels en in enkele andere velden over het algemeen voldoen aan de eigenschappen die men verwacht voor protoclusters op grond van de theorie voor het ontstaan van massieve clusters van sterrenstelsels. We laten zien dat de hoge mate van stervorming in de protoclusters in overeenstemming is met het totaal aantal sterren waargenomen in oude, rode stelsels in volgroeide clusters.