Onderzoekers hebben tien keer zoveel hyperlumineuze sterrenstelsels waargenomen dan sterren volgens theoretische modellen zouden kunnen produceren. En dat is best vreemd.

In het heelal bestaan heel wat zogenoemde hyperlumineuze sterrenstelsels; één van de helderste objecten in het universum. Maar onderzoekers zijn nu tot de verrassende ontdekking gekomen dat er maar liefst tien keer meer van dit soort ‘hyper heldere ‘ sterrenstelsels bestaan dan sterren – volgens de theorie – zouden kunnen produceren. Dit betekent dat sterren dus niet in hun eentje de helderheid van deze hyperlumineuze sterrenstelsels voor hun rekening nemen. “We onderzoeken nu welke fysische mechanismen zulke extreme sterrenstelsels zouden kunnen aandrijven,” aldus onderzoeker Lingyu Wang. De bevindingen zijn gepubliceerd in een speciale editie van Astronomy & Astrophysics.

Hyperlumineuze sterrenstelsels
Zoals gezegd behoren hyperlumineuze sterrenstelsels tot de meest lichtgevende objecten in het heelal. “Als hun helderheid volledig toegeschreven wordt aan stervorming, zouden deze ongelofelijke sterrenstelsels duizend keer zoveel sterren herbergen als onze Melkweg nu doet,” vertelt Wang in een interview met Scientias.nl. “De eerste hyperlumineuze sterrenstelsels werden met behulp van de Infrared Astronomical Satellite (IRAS) ontdekt, een gezamenlijke missie van de Verenigde Staten, Nederland en het Verenigd Koninkrijk. Hyperlumineuze sterrenstelsels zijn daarnaast verbazend zware systemen in het vroege heelal. Ze zijn meestal meer dan honderd keer zo zwaar als onze Melkweg en stammen uit een tijd dat het universum slechts 20 procent van zijn huidige leeftijd had. Daarom wordt aangenomen dat hyperlumineuze sterrenstelsels evolueren tot de zwaarste sterrenstelsels in het huidige heelal. Vanwege de helderheid zijn hyperlumineuze sterrenstelsels uitstekende doelen voor het bestuderen van de vorming van massieve sterrenstelsels en voor het testen van theoretische modellen van hoe sterrenstelsels ontstaan en evolueren.”


Theorie
De heersende theorie over hyperlumineuze sterrenstelsels klinkt als volgt: 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 met behulp van de infrarood-ruimtetelescoop Herschel bestudeerden, zagen ze deze theorie over het algemeen bevestigd. Maar in absolute aantallen leek het erop dat er ruim tienmaal zoveel hyperlumineuze infraroodsterrenstelsels bestaan, zowel in het vroege heelal als dichterbij huis. Helaas kon Herschels ruimtelijke resolutie niet alle individuele sterrenstelsels onderscheiden, zodat onderzoekers het niet met zekerheid konden zeggen.

Bevestigd
In de huidige studie besloten onderzoekers de vorige bevindingen te verifiëren. Met behulp van de LOFAR-telescoop – één van de grootste radiotelescopen van de wereld – slaagden de onderzoekers er dit keer wel in om de sterrenstelsels individueel te onderscheiden. En dat leidde tot een interessante conclusie. Het team kwam namelijk inderdaad tot de conclusie dat er meer dan tienmaal zoveel hyperlumineuze sterrenstelsels bestaan dan de theorie voorspelt. “Vanuit theoretisch oogpunt is het best vreemd,” zegt Wang. “Het betekent namelijk dat we momenteel over geen enkel model beschikken dat verklaart hoe zoveel hyperlumineuze sterrenstelsels kunnen ontstaan zonder andere observatiebeperkingen te schenden.” Bovendien roepen de bevindingen nieuwe vragen op. “Zijn er veel van dergelijke monsters in het heelal? Of klopt de immense helderheid niet?” vraagt Wang zich hardop af. “Een verklaring kan bijvoorbeeld zijn dat de helderheid van veel hyperlumineuze sterrenstelsels wordt vergroot door een proces dat gravitatielenzen wordt genoemd. Dit betekent dat hun intrinsieke helderheid wellicht toch niet zo extreem is. Een andere mogelijke verklaring is dat deze hyperlumineuze sterrenstelsels geen aparte sterrenstelsels vertegenwoordigen. In plaats daarvan zijn het combinaties van verschillende sterrenstelsels die met elkaar vermengd lijken.”

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. Afbeelding: Lingyu Wang / SRON

Toch lijkt het erop dat we de heersende theorie naar de prullenbak kunnen verbannen en op zoek moeten naar een nieuwe. De onderzoekers zijn dan ook vastbesloten om de onderste steen boven te krijgen. Zo bestuderen ze nu welke fysische mechanismen mogelijk ook zulke extreme sterrenstelsels zouden kunnen aandrijven. “Als de hyperlumineuze sterrenstelsels worden aangedreven door stervorming, zouden ze sterren vormen met duizenden zonsmassa’s per jaar,” vertelt Wang. “En de theoretische modellen kunnen niet genoeg sterrenstelsels produceren die sterren met zulke extreme snelheden vormen. Een andere mogelijke verklaring is dat de meeste van deze hyperlumineuze sterrenstelsels niet worden aangedreven door stervormingsactiviteit. In plaats daarvan komt hun enorme helderheid voort uit de aangroei van materie die invalt naar het snelgroeiende superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel.” Toch lijkt ook deze verklaring onwaarschijnlijk. “Dat komt omdat een gedetailleerde studie van hoe helderheid varieert met de golflengte suggereert dat de krachtbron van veel hyperlumineuze sterrenstelsels stervorming is,” aldus Wang. “We hebben vervolgwaarnemingen nodig om de ware aard van deze extreme objecten te bestuderen.”


Het team gaat deze vervolgwaarnemingen uitvoeren op het Keck observatorium in Hawaii. Daarmee hopen ze preciezere gegevens over de roodverschuiving van de sterrenstelsels – en dus hun afstand – te onthullen. En naar verwachting zal dat ons meer informatie verschaffen. “Ons begrip van de vorming van zware sterrenstelsels is erg onvolledig,” zegt Wang. En dus hopen de onderzoekers meer informatie over hyperlumineuze sterrenstelsels te vergaren, om zo onze kennis uit te breiden. “Het bestuderen van deze extreme objecten is essentieel om ons begrip over de vorming en evolutie van zware sterrenstelsels te verbeteren,” besluit Wang.