Delen:
10 manieren waarop één project de ziel van het universum onthult
De Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), de krachtigste verzameling radiotelescopen ter wereld, is gebouwd op het Chajnantor-plateau in het noorden van Chili. Op een hoogte van 5.000 meter (16.500 ft) is het hoger dan de dikste lagen van de atmosfeer van de aarde.
Met deze telescopen kunnen we golflengten ontcijferen die langer zijn dan optisch licht, waardoor licht (of kleuren) wordt onthuld dat we niet met eigen ogen kunnen zien. Maar ALMA, wat 'ziel' betekent, is ook een tijdmachine. Het onderzoekt het verleden om wetenschappelijke theorieën te verifiëren over hoe het universum zich meer dan 13 miljard jaar geleden heeft gevormd. Het stuwt ons ook naar de toekomst terwijl we zoeken naar nieuwe werelden en naar het buitenaardse leven dat hen bewoont.
Aanbevolen foto credit: C. Ponton / ESO10The Life Molecule
In de gigantische gaswolk Boogschutter B2 in de buurt van het centrum van onze melkweg, heeft ALMA voor de eerste keer in de interstellaire ruimte een waterstofrijke, koolstofhoudende molecule gevonden die gerelateerd is aan degene die we nodig hebben voor het leven op aarde. Deze ontdekking betekent dat interstellaire moleculen zoals deze mogelijk in de verre toekomst naar de aarde zijn gekomen om het leven hier op te starten. Het suggereert ook dat op koolstof gebaseerd buitenaards leven mogelijk elders in het universum voorkomt.
Moleculaire wolken zoals Boogschutter B2 staan bekend als "stellaire kwekerijen" omdat hun compacte gebieden van gas en stof goed geschikt zijn om sterren te creëren. Tot nu toe bestonden alle organische moleculen die in de interstellaire ruimte werden ontdekt uit één rechte keten van koolstofatomen. Maar in Boogschutter B2 vond ALMA een nieuw molecuul, iso-propylcyanide, met een vertakte koolstofstructuur zoals die gevonden wordt in aminozuren. Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten, die belangrijke componenten zijn van het leven op aarde.
Deze ontdekking suggereert dat de moleculen die nodig zijn voor het leven zoals we het kennen, worden gemaakt wanneer sterren zich vormen, ruim voordat er planeten zoals de aarde bestaan. Iso-propylcyanide was overvloedig in Boogschutter B2, dus vertakte moleculen kunnen vaak voorkomen in de interstellaire ruimte. Astronomen hopen daar ook aminozuren te vinden.
9De samenvoegende sterrenstelsels
Gewelddadige fusies tussen sterrenstelsels komen vrij vaak voor. Maar hun sterren en zonnestelsels botsen niet echt. In plaats daarvan gaan deze sterrenstelsels door elkaar heen als geesten omdat hun sterren te ver uit elkaar liggen om elkaar aan te raken.
Een fusie veroorzaakt een uitzinnige formatie van nieuwe sterren, samen met zwaartekracht-chaos. Dit werd lang verondersteld om de originele structuren van het sterrenstelsel te vernietigen, en deze te vervangen door een massief elliptisch sterrenstelsel in de vorm van een Amerikaans voetbal. Dit moest gebeuren, zelfs als beide oorspronkelijke sterrenstelsels schijfstelsels waren, zoals onze Melkweg, met afgeplatte, cirkelvormige gebieden van gas en stof.
Dat is de heersende wijsheid sinds computersimulaties in de jaren zeventig werden gedaan. Nieuwere simulaties waren in tegenspraak met deze resultaten, wat suggereert dat sommige fusies van melkwegstelsels schijfstelsels kunnen vormen. Maar wetenschappers hadden geen van beide manieren.
Nu hebben ALMA en andere radiotelescopen het rokende pistool voorzien van 24 geobserveerde sterrenstelsels die fusies hebben ondergaan om schijfstelsels te vormen. Dat is 65 procent van de 37 sterrenstelsels die zijn onderzocht door een internationale onderzoeksgroep onder leiding van Junko Ueda van de Japan Society for the Promotion of Science.
Zoals Ueda zei: "We weten dat de meerderheid van sterrenstelsels in het verder verwijderde universum ook schijven heeft. We weten echter nog niet of melkwegfusies daar ook verantwoordelijk voor zijn, of dat ze gevormd worden door koud gas dat geleidelijk in de melkweg valt. Misschien hebben we een algemeen mechanisme gevonden dat van toepassing is in de geschiedenis van het universum. '
8De excentrieke en hellende banen van exoplaneten
Sommige exoplaneten, die planeten buiten ons zonnestelsel zijn, draaien om hun sterren in een zeer langwerpige of ovale vorm (een "excentrische" baan) of in een sterk gekantelde hoek van de evenaar van hun ster (een "hellende" baan). Om te achterhalen waarom dit gebeurt in binaire systemen, waarin twee sterren om elkaar heen draaien, gebruikten wetenschappers ALMA om naar HK Tauri te kijken, een jong binair systeem in het sterrenbeeld Taurus.
Om te begrijpen wat ALMA doet, helpt het om te weten hoe sterren en planeten worden gemaakt. Wanneer een wolk interstellair gas in elkaar stort door de aantrekkingskracht van zijn eigen zwaartekracht, wervelt het steeds sneller totdat het in een schijf wordt gezaagd. In het midden van die schijf vormt een protoster als een embryo in een baarmoeder. Wanneer de kerntemperatuur van de protoster hoog genoeg wordt om nucleaire reacties te veroorzaken, wordt een nieuwe ster geboren. Ongeveer 90 procent van de tijd, gas en stof overgebleven van de geboorte van de ster draait rond de nieuwe ster in een protoplanetaire schijf. Het materiaal in deze schijf kan zich uiteindelijk in planeten, manen en andere objecten vormen.
In een binair systeem, als de twee sterren en hun protoplanetaire schijven niet in hetzelfde vlak ronddraaien (wat betekent dat ze "niet goed uitgelijnd" zijn), kunnen zich nieuwe planeten vormen met zeer excentrische of hellende banen. Eén theorie, het Kozai-mechanisme, zegt dat de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van een tweede ster de vreemde planeten van de eerste ster deze banen geeft.
ALMA bevestigde deze theorie met HK Tauri. De dimmerster, HK Tauri B, heeft een protoplanetaire schijf die de schittering van het licht van de ster blokkeert, waardoor de schijf in zichtbaar licht gemakkelijk te zien is. Maar de protoplanetaire schijf van HK Tauri A is gekanteld zodat het verblindende licht van zijn ster deze schijf onmogelijk zichtbaar maakt in zichtbaar licht. ALMA heeft beide schijven eenvoudig gedetecteerd in millimeter-golflengte licht, wat aangeeft dat ze ten minste 60 graden verkeerd zijn uitgelijnd met elkaar. Ten minste één schijf bevindt zich niet in hetzelfde vlak als de banen van de twee sterren.
Hoewel dit niet elke rare exoplaneetomloop in het universum verklaart, toont het wel aan dat de condities om een exoplaneet's baan scheef te maken aanwezig kunnen zijn wanneer die planeet zich vormt in een binair systeem.
7De levenslijn die de planeet vormt
In een systeem met meerdere sterren, bekend als GG Tau-A in het sterrenbeeld Taurus, heeft ALMA gas en stof in een stroom gedetecteerd. De stroom vloeit van een immense buitenste schijf rondom het hele sterrensysteem naar een kleinere binnenste schijf die alleen de belangrijkste centrale ster omringt. Het ziet eruit als een wiel in een wiel.
Wetenschappers waren zich bewust van die innerlijke schijf vóór ALMA, maar ze konden niet uitleggen hoe de innerlijke schijf overleefde. Het materiaal werd zo snel uitgeput door zijn centrale ster dat de schijf al lang geleden had moeten verdwijnen. Toen ontdekte ALMA dit nog niet eerder waargenomen fenomeen: gasgroepen in het gebied tussen de twee schijven fungeren als een reddingslijn door materiaal van de buitenste schijf over te brengen om de binnenste schijf te voeden. De binnenste schijf kan daarom veel langer overleven, waardoor het een grotere kans heeft om planeten te ontwikkelen die rond de centrale ster draaien.
Als andere meerstergelovensystemen deze levenslijnstructuren hebben om protoplanetaire schijven te voeden, zullen we in de toekomst meer plaatsen hebben om te jagen naar exoplaneten - en het buitenaardse leven.
6De Boemerangnevel
Op 5.000 lichtjaar van de aarde wint de Boemerangnevel in het sterrenbeeld Centaurus de prijs voor het koudste object in het universum. De temperatuur is slechts 1 Kelvin, wat hetzelfde is als -272 graden Celsius (-458 ° F). Dat is zelfs kouder dan de kosmische microgolfachtergrond, die bij 2,8 Kelvin de natuurlijke achtergrondtemperatuur van de ruimte is.
Wetenschappers onderzochten de ijskoude eigenschappen van de Boomerangnevel met behulp van ALMA. Tijdens dit proces ontdekten ze ook de werkelijke vorm van de nevel. Eerder presenteerden optische telescopen de nevel in zichtbaar licht als een vlinderdas met twee overlappende boemerangen. Maar ALMA kan de golflengten van het licht visualiseren die voorheen werden verduisterd door een dikke band van stof die de ster binnen de nevel omcirkelt. Het bleek dat de nevel een veel bredere vorm heeft, die snel uitbreidt.
Astronomen ontdekten ook waarom de Boemerangnevel zo ijskoud is. De centrale ster sterft. Hierdoor ontstaat een snelle gasstroom van de ster die tegelijkertijd de nevel expandeert en koelt, zoals expanderend gas dat een koelkast koelt. Naarmate de gasexpansie afneemt, wordt de buitenste schil van de nevel warmer. "Dit is belangrijk voor het begrip van hoe sterren sterven en planetaire nevels worden", zegt Raghvendra Sahai van NASA's Jet Propulsion Laboratory. "Door ALMA te gebruiken, konden we letterlijk en figuurlijk nieuw licht werpen op de doodsstrijd van een zon-achtige ster."
5The Space Blob
Deze bevinding van ALMA is opwindend vanwege wat de telescopen niet zien. Maar laten we beginnen met wat onze telescopen hebben gezien.
In 2009 ontdekten astronomen een gloeiende hete gasbel die meer dan 55.000 lichtjaar besloeg. Ze noemden het "Himiko", naar een legendarische koningin van Japan. Op bijna 13 miljard lichtjaar van de aarde, en gezien de tijd die het kost om licht die afstand af te leggen, zagen wetenschappers Himiko op een moment dat het universum slechts 6 procent van zijn huidige grootte had. Het leek veel te groot en krachtig voor zijn tijd.
Door de Hubble-ruimtetelescoop en ALMA te gebruiken, konden astronomen een deel van de puzzel oplossen. Hubble onthulde dat Himiko bestaat uit drie stellaire klonten, die elk de gebruikelijke grootte zijn van een lichtgevend stelsel uit die tijd. Deze drie klompjes vormen sterren met een verbluffende snelheid van ongeveer 100 zonsmassa's per jaar. Richard Ellis, de California Institute of Technology, legt uit: "Dit buitengewoon zeldzame drievoudige systeem, gezien wanneer het universum slechts 800 miljoen jaar oud was, biedt belangrijke inzichten in de vroegste stadia van de vorming van sterrenstelsels gedurende een periode die bekend staat als 'Cosmic Dawn', wanneer de het universum baadde eerst in sterrenlicht. Nog interessanter, deze sterrenstelsels lijken in evenwicht te zijn om te versmelten in een enkele massieve melkweg, die uiteindelijk zou kunnen evolueren naar iets vergelijkbaars met de Melkweg. "
Maar dit is wat astronomen achterlieten. Een gebied met een dergelijke actieve stervorming zou stofwolken van zware elementen zoals koolstof, zuurstof en silicium moeten creëren. Bij verhitting door sterrenlicht produceren deze elementen radiogolven die ALMA kan oppikken. Maar ALMA detecteerde geen significante radiogolven. Ook heeft het geen gasvormige koolstof ontdekt, wat ook wordt geassocieerd met woedende stervorming.
In plaats daarvan geloven astronomen dat het interstellaire gas van Himiko is gemaakt van waterstof en helium. Dit betekent waarschijnlijk dat we een primair sterrenstelsel zien zoals het zich vlak na de oerknal vormt.
4De Supernova-stoffabriek
Zonder stof zou geen van ons bestaan. Stof is essentieel voor de vorming van sterren en planeten. We weten dat het universum er vol mee is, maar wetenschappers wisten niet zeker hoe stof zich in het vroege universum vormde.
Tegenwoordig komt het meeste stof in het universum van sterren van alle groottes als ze dood gaan. Maar in het vroege universum waren alleen massieve sterren supernova geworden. Dat was stof, maar schijnbaar lang niet genoeg voor de grote hoeveelheden die we zagen in verre, jonge sterrenstelsels. Toen bestudeerden astronomen de overblijfselen van Supernova 1987A met ALMA, en zij vonden het antwoord op het ontbrekende vroege stof.
Zoals de naam aangeeft, explodeerde SN 1987A in 1987 ongeveer 168.000 lichtjaren van de aarde. Wetenschappers verwachtten grote hoeveelheden stof te zien als koolstof-, zuurstof- en siliciumatomen gebonden aan moleculen in het midden van het koelgas van de explosie. Met de telescopen van die tijd zagen ze slechts een kleine hoeveelheid heet stof. Maar toen ze ALMA gebruikten, ontdekten ze een stofwolk met een massa gelijk aan 25 procent van onze zon.Met ALMA's vermogen om de millimeter en submillimeter golflengten te onthullen waarin het (veel meer overvloedige) koude stof helder oplicht, was het mysterie opgelost.
"Echt vroege sterrenstelsels zijn ongelooflijk stoffig en dit stof speelt een grote rol in de evolutie van sterrenstelsels", zegt Mikako Matsuuro van University College London. "Vandaag weten we dat stof op verschillende manieren kan worden gemaakt, maar in het vroege universum moet het meeste afkomstig zijn van supernovae. We hebben eindelijk direct bewijs om die theorie te ondersteunen. "
3De Orion Death Star
Er zijn planeetmoordenaars op de loer in de drukke stellaire kwekerij van de Orionnevel.
Zoals we eerder hebben uitgelegd, bieden grote moleculaire wolken van gas en stof, zoals de nevel, een uitstekende omgeving voor het maken van sterren en uiteindelijk planeten. Maar er zijn ook oudere O-type sterren in de Orionnevel die veel zwaarder zijn dan onze zon en een oppervlaktetemperatuur hebben van 50.000 Kelvin of meer. Deze O-sterren hanteren de kracht van leven en dood voor het ontwikkelen van planetaire systemen in hun regio. Wanneer deze enorme, kortstondige O-sterren supernova worden, geloven wetenschappers dat de resulterende explosies wolken van gas en stof creëren die de volgende ronde van sterren en planeten zullen vormen. Maar terwijl deze O-sterren leven, kunnen ze protoplanetaire schijven vernietigen als die embryonale zonnestelsels te dichtbij komen.
Met ALMA's vermogen om objecten te zien die verborgen zijn door stof, zijn astronomen in staat om tweemaal het aantal bekende protoplanetaire schijven in de Orionnevel te visualiseren. De gegevens laten zien dat als jonge sterren binnen een tiende van een lichtjaar van een O-ster komen, de intense ultraviolette straling de protoplanetaire schijf van de jonge ster weg zal strippen voordat zich planeten kunnen vormen. Deze extreme elektromagnetische straling duwt de aangetaste jonge sterren vaak in de vorm van tranen.
2De Event Horizon-telescoop
Medio 2014 installeerden wetenschappers een uiterst nauwkeurige atoomklok op de Array Operations Site van ALMA om ALMA te synchroniseren met een wereldwijd netwerk van radiotelescopen. Dit was onderdeel van een proces om een Earth-sized instrument te vormen, de Event Horizon Telescope (EHT). "Door de meest geavanceerde millimeter- en submillimeter-golfradiaturen over de hele wereld te verenigen, creëert de Event Horizon Telescope een fundamenteel nieuw instrument met de grootste vergrotende kracht die ooit is bereikt", zegt Shep Doeleman van het MIT Haystack Observatory. "Verankerd door ALMA zal de EHT een nieuw venster openen op onderzoek naar zwart gat en een van de weinige plaatsen in het universum in beeld brengen waar de theorieën van Einstein kunnen afbreken: aan de horizon van het evenement."
De gebeurtenishorizon is een theoretische grens rond een zwart gat dat het punt van geen terugkeer representeert, waar niets - zelfs niet licht - aan de zwaartekracht van het gat kan ontsnappen. Wetenschappers willen de EHT gebruiken om te zien of een gebeurtenishorizon daadwerkelijk bestaat in het supermassieve zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. Er wordt geloofd dat dit zwarte gat, Boogschutter A *, de massa van ongeveer vier miljoen zonnen in een ongelooflijk klein gebied verpakt.
Om de algemene relativiteitstheorie van Einstein verder te testen, scant de EHT ook Boogschutter A * op een schaduw, wat een verduisterd gebied is waar het zwarte gat licht heeft ingeslikt. Met de vorm en grootte van zijn schaduw bepaald door de spin en de massa van Boogschutter A *, konden de gegevens van de EHT onthullen hoe ruimte en tijd in deze omgeving vervormen.
Astronomen willen ook de botsing van Boogschutter A * met G2, een enorme wolk van gas en stof, observeren om te zien hoe dat het zwarte gat en ons sterrenstelsel beïnvloedt. Deze botsing duurt meer dan een jaar.
1De geboorte van een zonnestelsel
Begin november 2014 gaf ALMA ons het eerste gedetailleerde overzicht van planeten die zich in een protoplanetaire schijf rond een jonge zonachtige ster vormen. De ster was HL Tau, in het sterrenbeeld Taurus ongeveer 450 lichtjaar van de aarde. Dit verbluffend heldere beeld toont de geboorte van een nieuw zonnestelsel en biedt ook een venster op ons verleden door te onthullen hoe ons eigen zonnestelsel zich meer dan vier miljard jaar geleden heeft gevormd.
In zichtbaar licht is HL Tau verborgen achter een gigantische wolk van gas en stof. Maar nogmaals, ALMA was in staat om op veel langere golflengten te scannen om door het stof naar de kern van de wolk te kijken, waar de activiteit van het maken van de planeet plaatsvond. Het nieuwe beeld van ALMA bevestigde nogal wat wetenschappelijke theorie over planeetvorming.
ALMA gaf ook astronomen minstens één grote verrassing. HL Tau moest te jong zijn voor grote planetaire lichamen om er omheen te cirkelen. Maar ALMA toont duidelijk concentrische ringen die door de protoplanetaire schijf van HL Tau snijden. Wanneer planeten groter worden, creëren ze deze concentrische ringen, gescheiden door spleten waar de planeten in een baan rond hun jonge ster draaien en afval uit de schijf duwen.
Ten minste acht planeten lijken te vormen, één voor elke concentrische ring. ALMA-wetenschapper Catherine Vlahakis vatte het heersende beeld mooi samen: "Alleen dit ene beeld zal de theorieën van de vorming van de planeet revolutioneren."