Een diepe 3D-blik in het heelal

Met het MUSE-instrument op ESO’s Very Large Telescope is de tot nu toe beste driedimensionale weergave van het verre heelal gemaakt. Door slechts 27 uur naar het Hubble Deep Field South te staren, zijn in dit kleine hemelgebied de afstanden, bewegingen en andere eigenschappen van meer sterrenstelsels gemeten dan ooit tevoren. De waarnemingen gaan verder dan die van de Hubble-ruimtetelescoop en laten objecten zien die nooit eerder zijn waargenomen. Target (Rijksuniversiteit Groningen) leverde in samenwerking met EU-partners het data management systeem dat de wetenschappelijke ontdekkingen met MUSE mogelijk maakte.

Door zeer lang belichte opnamen van stukjes hemel te maken, hebben astronomen tal van 'deep fields' gemaakt die veel inzicht geven in het vroege heelal. De bekendste van deze is het oorspronkelijke Hubble Deep Field, dat eind 1995 in de loop van enkele dagen is vastgelegd met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. Die spectaculaire foto heeft ons begrip van de inhoud van het jonge heelal in snel tempo bijgesteld. Twee jaar later werd een soortgelijke opname gemaakt van de zuidelijke hemel: de Hubble Deep Field South.

Maar de deep-fieldbeelden konden niet alle vragen beantwoorden. Om meer te weten te komen over de verre sterrenstelsels, moesten astronomen deze stuk voor stuk met andere instrumenten bekijken – een moeizaam en tijdrovend karwei. Maar het nieuwe MUSE-instrument slaat twee vliegen in één klap, en nog veel sneller ook.

Een van de eerste waarnemingen die na de ingebruikname van MUSE in 2014 zijn gedaan, was een langdurige blik op het Hubble Deep Field South (HDF-S). De resultaten hebben de verwachtingen overtroffen.

‘Toen we na slechts een paar uur waarnemen met de telescoop een vluchtige blik op de gegevens wierpen, ontdekten we vele sterrenstelsels – dat was heel bemoedigend. En toen we de gegevens na terugkeer in Europa beter bekeken, was het of we in diep water aan het vissen waren. Elke nieuwe vangst veroorzaakte een hoop opwinding en discussie over de soorten die we ontdekten,’ zegt Roland Bacon (Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Frankrijk, CNRS), hoofdonderzoeker van MUSE en leider van het team dat dit instrument bedrijfsklaar maakte.

Van elk stukje van het MUSE-beeld van het HDF-S is niet alleen beeldinformatie verzameld, maar van elke pixel is ook een spectrum verkregen dat de intensiteit van de samenstellende kleuren van het licht in dat punt laat zien – alles bij elkaar ongeveer 90.000 spectra. Deze spectra bevatten informatie over de afstand, de samenstelling en de inwendige bewegingen van honderden verre sterrenstelsels. Ook zijn enkele heel zwakke sterren van onze Melkweg opgespoord.

Hoewel de totale belichtingstijd veel korter was dan die van de Hubble-opnamen, toonden de HDF-S-gegevens van MUSE meer dan twintig heel zwakke objecten in dit kleine stukje hemel die Hubble helemaal niet had geregistreerd.

‘De grootste verrassing kwam toen we zeer verre sterrenstelsels ontdekten die zelfs op de ‘ diepste ’ Hubble-opname niet te zien waren. Na zoveel jaren hard aan dit instrument te hebben gewerkt, was het een indrukwekkende ervaring voor mij om onze dromen uit te zien komen,’ voegt Bacon daaraan toe.

Door nauwkeurig naar alle spectra in de MUSE-waarnemingen van het HDF-S te kijken, heeft het team de afstanden van 189 sterrenstelsels gemeten. Sommige daarvan staan relatief dichtbij, maar andere zien we zoals ze waren toen het heelal nog geen miljard jaar oud was. Daarmee is het aantal afstandsmetingen in dit stukje hemel in één klap vertienvoudigd.

Bij de nabijere stelsels kan MUSE veel meer doen: hij kan ook de eigenschappen van de verschillende delen van zulke stelsels meten. Hieruit kan worden afgeleid hoe het stelsel draait en hoe andere eigenschappen van plek tot plek variëren. Op die manier kan onderzocht worden hoe sterrenstelsels zich in de loop van de kosmische geschiedenis hebben ontwikkeld.

‘Nu we hebben aangetoond welke unieke mogelijkheden MUSE voor de verkenning van het diepe heelal te bieden heeft, zullen we ook andere deep fields gaan bekijken, zoals het Hubble Ultra Deep Field . We zullen duizenden sterrenstelsels kunnen onderzoeken en nieuwe extreem zwakke en verre sterrenstelsels ontdekken. Deze kleine, jonge sterrenstelsels, die we zien zoals ze meer dan tien miljard jaar geleden waren, groeiden geleidelijk uit tot stelsels als de Melkweg, zoals we die nu waarnemen,’ aldus Bacon.