Emergence of cosmic structures around distant radio galaxies and quasars

(1)

Emergence of cosmic structures around distant radio galaxies and

quasars

Overzier, Roderik Adriaan

Citation

Overzier, R. A. (2006, May 30). Emergence of cosmic structures around distant radio

galaxies and quasars. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/4415

Version:

Corrected Publisher’s Version

License:

Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the

_{Institutional Repository of the University of Leiden}

Downloaded from:

https://hdl.handle.net/1887/4415

(2)

Hoofdstuk 11

Ne

de

r

l

andsesame

nvatti

ng

1. El

e

me

nt

e

nva

ndes

t

e

r

e

nkunde

Het heelalisbezaaidmet miljardensterrenstelselsdie alseilandenvanvele soortenenmatenineen donkere oceaanvanonvoorstelbare afmeting verspreidliggen(zie afbeelding 1). Deze sterrenstel -sels(waarvanonze Melkweg er slechts´e´enis)zijnopgebouwduit miljardensterren(zoalsonze zon) envermoedelijkbevindenvele sterrenzichookte middenvaneensysteem vanplaneten(zoalsons zonnestelsel). Het gezamenlijke licht vanhunsterrengeeft sterrenstelselseenaantalkarakteristieke eigenschappen, zoalsbijvoorbeeldhunhelderheid(ookweluitgedrukt inmagnitude), hunafmeting (gemeteninkiloparsecs, 1 kpciszo’n200miljoenmaalde afstandvande aarde tot de zon), enhun kleur (het verschilinhelderheidgemeteninverschillende golflengtegebieden, bijvooorbeeldul tra-violet, blauw, rood, infraroodofradio). Deze ennog vele andere eigenschappenzijnhet gevolg van natuurkundige enchemische processendie zichinsterrenensterrenstelselsafspelen. De s terrenkun-de bestudeert deze astrofysische processen.

Het licht vansterrenensterrenstelselsdatmet telescopenversterkt wordt opgevangenisreedsin het verledenuitgezonden. Dit komt omdatde afstandeninhet heelalerg groot zijnenlicht zichniet oneindig snelvoortplant. Zoheeft licht afkomstig vande zonbijvoorbeeldacht minutennodig om de aarde te bereiken. Duswilje wetenhoe de zoner preciesopdit moment uitziet?Kijkdanpasover acht minutenevennaar buiten!De afstandtussende zonende aarde is- astronomischgezien- een ‘split-second’. Het licht vande dichtstbijzijnde sterreninonze Melkweg heeft enkele lichtjaren nodig om onste bereiken, enhet licht vande sterrenvanandere sterrenstelselsheeft miljoenenofzelfs miljardenlichtjarenafgelegdalvorensde aarde te bereiken. Door sterrenstelselsopverschillende afstandente bestuderen,komensterrenkundigendusmeteente wetenhoe sterrenstelselser vroeger uitzagen.

2 . Kos

mol

ogi

ee

ndes

t

r

uc

t

uurva

nhe

the

e

l

a

l

De eigenschappenvanhet heelalwordenechter niet alleenbepaalddoor de eigenschappenvande i n-dividuele sterrenstelsels. Alsje kijkt naar de verdeling vansterrenstelselsdoor de ruimte, danheeft het heelaleenuiterst complexe structuur. Sterrenstelselsstaannamelijkniet willekeurig door het heelalverspreid, maar vormeneen‘kosmischweb’waarinkleine engrote groepenvansterrenstel -selsmet elkaar verbondenzijndoor middelvandunne, draadvormige structurenvanweer andere sterrenstelsels. Het kosmische webbestaatbehalve uit de zichtbare materie vande sterrenstelselsook uit zogenaamde ‘donkere materie’. Deze mysterieuze materie istot nog toe opgeenenkele manier direct waargenomen, maar zijnaanwezigheidverraadt zichdoor zijninteractie met de sterrenstel -selsviade onderlinge aantrekkingskracht die optalloze manierenuit sterrenkundige waarnemingen

(3)

182 HOOFDSTUK_{11. N}EDERLANDSE SAMENVATTING

Afbeelding 1– Sterrenstelsels in de ‘Hubble Ultra Deep Field’ (HUDF)gezien met de Hubble ruimte-telescoop. Deze opname, de diepste opname van het heelal ooit gemaakt, toont de verscheidenheid aan sterrenstelsels in een gebiedje ter grootte van ´e´en-tien-miljoenste deel van de gehele hemel. Bron: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) en het HUDFTeam.

blijkt. De karakteristieke structuur van de sterrenstelsels en donkere materie tezamen noemen we de grote-schaal structuur van het heelal (zie afbeelding 2).

(4)

HOOFDSTUK_{11. N}EDERLANDSE SAMENVATTING ₁₈₃

dat het heelal zo’n 14miljard 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 Telesco-pe (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.

3. Het ontstaan van sterrenstelsels en clusters

De wijze waarop de structuur van het heelal zich ontwikkeld heeft kan in grote lijnen door de kosmo-logie 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 elemen-ten 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 ster-renstelsels 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 hi¨erarchische 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 en daardoor zijn ze moeilijk te onder-scheiden 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 gro-te massa, gigantische afmeting en hoge leeftijd zijn deze objecgro-ten uigro-termagro-te geschikt om de theorie voor de ontwikkeling van de grote-schaal structuur van het heelal te testen.

(5)

Afbeelding 2– De grote-schaal structuur van het heelal, ge¨ıllustreerd aan de hand van computersi-mulaties. De bovenste afbeeldingen tonen de verdeling van de donkere materie (links) en de ster-renstelsels (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).

(6)

HOOFDSTUK_{11. N}EDERLANDSE SAMENVATTING ₁₈₅

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).

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

(7)

Afbeelding 4– Een foto van de Hubble ruimtetelescoop in zijn baan om de aarde. Bron: NASA.

5. De “

Advanced Camera f

or Surveys”van de Hubble ruimtetelescoop

(8)

on-HOOFDSTUK_{11. N}EDERLANDSE SAMENVATTING ₁₈₇

derzoek 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 proef-schrift.

Hoofdstuk 2– In dit hoofdstuk onderzoeken we de clustering, of samenklontering, van radiosterren-stelsels op kosmologische afstanden. Radiosterrenradiosterren-stelsels 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 r ¨ontgensatelliet. De r ¨ontgenstraling van deze radiosterrenstelsels wordt voor een belang-rijk 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, morfologie¨en en massa’s van deze objecten. De eigenschappen van TN J1338–1942 zou-den 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 afzonder-lijke 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 voor-beelden van ingewikkelde terugkoppelingen die mogelijk belangrijk zijn tijdens het ontstaan van massieve sterrenstelsels.

(9)

zo hoog als men voor een willekeurig veld zou verwachten. Dit is in overeenstemming met de eer-dere 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.