Tienmaal meer hyperlumineuze sterrenstelsels waargenomen dan sterren kunnen produceren

Elf miljard jaar geleden—ongeveer drie miljard jaar na de oerknal—begonnen sterrenstelsels zich relatief snel te vormen. Er was gas in overvloed, dus een klein deel van deze vroege sterrenstelsels was in staat om uit te groeien tot zware, hyperlumineuze exemplaren, met een helderheid van tien biljoen zonnen. Terwijl de gasreserves in de loop der tijd opdroogden, konden minder sterrenstelsels op hoge snelheid groeien.

Toen astronomen het heelal bestudeerden met de infrarood-ruimtetelescoop Herschel, zagen ze deze theorie over het algemeen bevestigd. Maar in absolute getallen leek het erop dat er ruim tienmaal teveel hyperlumineuze infraroodsterrenstelsels zijn, zowel in het vroege heelal als dichterbij huis. Helaas kon Herschels ruimtelijke resolutie niet alle individuele sterrenstelsels onderscheiden, zodat ze het niet met zekerheid konden zeggen.

Een internationaal team van astronomen, geleid door Lingyu Wang van SRON en RUG, heeft nu de LOFAR telescoop gebruikt—met een hogere ruimtelijke resolutie—om de sterrenstelsels individueel te onderscheiden. Ze zagen inderdaad meer dan tienmaal zoveel hyperlumineuze sterrenstelsels dan de theorie voorspelt. Met een onzekerheid van een factor twee kunnen ze nu met zekerheid zeggen dat we naar een andere theorie moeten zoeken.

Afbeelding 1: Het waargenomen spectrum en de fit van een voorbeeld van een hyperlumineus sterrenstelsel. Onderaan zie je afbeeldingen van dit sterrenstelsel in verschillende golflengtes. Van links naar rechts: HSC i-band (optisch), DXS K-band (nabij-infrarood), IRAC 4.5 μm (mid-infrarood), MIPS 24 μm (ver-infrarood), Herschel SPIRE 250 μm (ver-infrarood) en LOFAR 2 m (radio). Het laat zien dat hyperlumineuze infraroodsterrenstelsels meestal erg zwak schijnen of zelfs onzichtbaar zijn in optische data en het meeste van hun energie uitstralen in het infrarood.

'We onderzoeken nu welke fysische mechanismen zulke extreme sterrenstelsels kunnen aandrijven,' zegt Wang. 'Worden ze aangedreven door stervorming of door de aangroei van superzware zwarte gaten? In het eerste geval moeten hyperlumineuze infraroodsterrenstelsels sterren vormen met duizenden zonsmassa's per jaar. Theoretische modellen kunnen niet genoeg sterrenstelsels produceren die sterren vormen met zulke extreme snelheden. Dus een alternatief scenario is dat ze voornamelijk aangedreven worden door de aangroei rond het superzware zwarte gat in hun centra. We hebben follow-up waarnemingen nodig om de ware aard te bestuderen van deze extreme objecten.'

Het team gaat deze follow-up waarnemingen uitvoeren op het Keck observatorium in Hawaii. Dat geeft ze preciezere data over de roodverschuiving van de sterrenstelsels, en dus hun afstand. Keck heeft een optische telescoop die spectra opneemt. Astronomen leiden de roodverschuiving af uit spectra door te kijken hoeveel golflengtes de karakteristieke vingerafdrukken van stoffen zijn verschoven.