1. Wanneer ontstonden sterren en stergroepen in
het vroege heelal?
Groeiende melkwegstelsels en massale
stergeboorten
C. de Jager

2. 
ONS HEELAL
Samenvatting van enkele belangrijke
eigenschappen in vijf reuzenstappen

3. 
(1) Biljoenen sterren op één plaatje

4. 
Hoezo? We zien toch maar een
honderdtal sterren?
Op deze foto: Een honderdtal sterren en vele tientallen
melkwegstelsels. Een melkwegstelsel bevat ca. 100
miljard sterren. En dan is er ook nog tien maal zoveel
massa aan ‘donkere materie’.

5. 
Het melkwegstelsel M100 in detail
(afstand is 56 miljoen lichtjaren)

6. 
Het centrale deel van M100. Spiraalarmen met
daarin groepen van vele jonge sterren (de blauwe stippen)

7. 
Stervorming in de
spiraalarmen
Opeenhopingen van gas leiden door
samenklontering en
zwaartekrachtaantrekking tot de vorming
van sterren

8. 
(2) Een omvangrijk heelal: dieper in de ruimte
zien we ontelbaar vele andere stelsels

9. 
Coma cluster – omvat duizenden
melkwegstelsels. Afstand: 320 miljoen lichtjaren

10. 
Deel van de hemel; elk puntje een stelsel
(Sloan Digital Sky Survey)

11. 
(3) Het heelal
expandeert
En dat gebeurt zelfs versneld!

12. 
De wet van Hubble (N.B. een parsec (pc) is 3,26
lichtjaren = 30 biljoen km)

13. 

Het heelal expandeert zelfs
versneld

14. 
(4) Als het heelal uitzet dan moet
het een begin gehad hebben
Dat klopt: Het heelal ontstond 13,8 miljard jaren
geleden
(Dit is de laatste waarde voor de ouderdom van het heelal; tot voor
kort namen we aan dit 13,7 miljard jaren was)

15. 
Het heelal ontstond in de
oerknal
Bij de oerknal ontstonden ruimte, tijd en materie uit het niets.
Daarvóór was er geen ruimte, en evenmin bestonden materie en
tijd.
Hoe dit gebeurde? Misschien door een instabiliteit van het
absolute vacuüm (Het Casimir-Polder effect) ?

16. 
Planck ‘episode’, oerknal: 10-43 sec; temperatuur
T = 1032 K
Inflatie begint: 10-35 sec; T = 1028 K (korte, hevige
expansie van de ruimte met snelheid 1000 biljoen lichtjaar/seconde)
Inflatie eindigt: 10-32 sec; T = 1027 K (heelal is nu zo
groot als een voetbal)
Baryogenese (= ontstaan van zware atomaire
deeltjes: protonen en neutronen): 10-6 sec; 1013 K
Vorming lichtste vier atoomkernen: 300 s; 109 K
Na de oerknal nam de temperatuur snel
af; hieronder de eerste 300 seconden

17. 
(5) Aanvankelijk was het heelal
een hete ondoorzichtige massa
Dat bleef zo tot door samenvoegen van elektronen met
protonen het heelal bestond uit de neutrale gassen
waterstof en helium. Dit gas is doorzichtig.
Dit laatste gebeurde toen de temperatuur gezakt was tot
onder ca. 4000 graden. Vanaf toen was het heelal
doorzichtig

18. 
Na ca. 400 000 jaar werd het heelal doorzichtig;
de temperatuur was toen ca. 4000 K

19. 
We kunnen terugkijken tot het gebied
waar af de materie ondoorzichtig is
(verder terugkijken kan niet)
Dat gebied loopt van ons weg met een snelheid
die dicht ligt bij die van het licht. Dit
weglopende grensgebied heeft een temperatuur
van ca. 4000 K Maar zien we hem ook zo heet?

20. 
De straling van een lichaam met temperatuur T is maximaal
bij een golflengte die we nu L zullen noemen.
De verschuivingswet van Wien zegt L x T = 2,9 mm
Een lichaam met T = 2900 straalt dus maximaal bij een
golflengte L = 1 micron (0,001 mm)
Licht loopt met lichtsnelheid (300 000 km/s); dus er zijn in
dit geval 300 biljoen trillingen per seconde
Maar nu loopt dit lichaam van ons vandaan met grote
snelheid ; in dit geval wordt de golflengte ca. duizend maal
uitgerekt en de temperatuur wordt navenant lager.
We moeten nu wat rekenen

21. 
 Het vroege heelal bleef ondoorzichtig tot ca. 400 000 jaar
na de oerknal
 Het had toen een temperatuur van ca. 4000 K
 Maar als gevolg van de roodverschuiving zien we die
straling nu met een golflengte van rond 1 mm en daarbij
hoort een temperatuur van 2,7 K
 Om die zwakke straling te kunnen ‘zien’ moet onze
‘kijker’ nog veel kouder zijn
 Zo met het instrument sterk afgekoeld worden - tot dicht
bij het absolute nulpunt !
 Recente ruimte-instrumenten zijn daarop gebaseerd
Het resultaat

22. 
Stervorming in gasrijke
gebieden
De armen van melkwegstelsels bevatten veel gas. Dat kan onder
invloed van de zwaartekracht samenklonteren en zo ontstaan
sterren. We illustreren dit in het volgende

23. 
Veel ontdekkingen zijn gedaan met de Hubble
ruimte telescoop

24. 
Een groep blauwe, dus jonge sterren in ons eigen
melkwegstelsel: sterren ontstaan in groepen

25. 
Het gebied 1C299. Sterke concentratie
van stofwolken leidt tot stervorming

26. 
NGC 6559: Rode emissienevels verraden stralend
waterstofgas. Atomair kleine gasdeeltjes om een hete ster
weerkaatsen blauwachtig licht: een reflectienevel

27. 
Excessieve stervorming in Orion. Dit is het
grootst bekende gebied van stervorming met ca. 400
‘protosterren’ – ook stralend waterstofgas

28. 
Westerhout 44: een ander gebied van
intense stervorming

29. 
Stervorming in W3

30. 
 In een stervormend stelsel ontstaan ook zware
sterren
 Deze zijn heet, blauw van kleur en stralen veel
ultraviolet licht uit
 Bovendien zijn ze de bron van sterrenwind –
uitstromend gas, dat met grote snelheid de ruimte in
vliegt
 Die twee verschijnselen (straling en sterrenwind)
remmen de stervorming in naburige stelsels en dat
gebeurt tot op afstanden van 600 000 lichtjaren
Maar ook: remmende werking

31. 
NIEUWE
INSTRUMENTEN
Er zijn de laatste jaren instrumenten en sterrenwachten gebouwd
die het bijna onmogelijke toch mogelijk maken. We bespreken
enkele daarvan met hun resultaten

32. 
De Herschel telescoop.
Onderzoeksprogramma: ontstaan van sterren. Gekoeld tot dicht bij
het absolute nulpunt

33. 
Details van Herschel. De telescoop werkte
van 2009 tot april 2013

34. 
Herschel bestudeert o.m. de koude elementen van
gebieden van stervorming; hier stofwolken in het
Zuiderkruis

35. 
Gas en stof bij de hete radiobron Cygnus X1

36. 
 Een NASA instrument dat de radiostraling opving
die uitgestraald werd door het vroege heelal
 Die straling werd dus uitgezonden; toen het heelal
ca. 400 000 jaar jong was; 13,76 miljard jaar geleden
 WMAP werkte op golflengten rond 1 mm
 De straling bleek uiterst homogeen te zijn verdeeld
over de hemel
 De grootste fluctuaties in de temperatuur zijn 0,2
milliKelvin; dit is dus ruwweg een-tienduizendste
van de stralingstemperatuur
We kijken nu naar het vroegste heelal: WMAP –
De Wilkinson Microwave Analyser Probe

37. 
Na negen jaar waarnemen was
dit het resultaat

38. 
 Kleine temperatuurfluctuaties
 Niet groter dan 0,000 2 graad
 Markeren die inhomogene gebieden de vorming van
melkwegstelsels; m.a.w. mogen we het begin van
melkwegstelsels zoeken in die minuscule fluctuaties?
 Dit blijkt inderdaad te kunnen
 Maar verder onderzoek is wel gewenst
Een homogeen heelal?

39. 
Europa wil het beter doen: ESA’s Planck
observatorium was ook gericht op de beginfase
van het heelal; missie duurde van 2008 tot april 2013

40. 
 Planck kan meten op 9 frequenties tussen 30 en 850
GHz
 Dit komt overeen met golflengten tussen 1 mm en
0,04 mm
 Met Wien rekenen we uit dat dit de golflengten zijn
waar straling van 2,9 tot 70 K de maximale sterkte
bereikt
 Om dit te kunnen meten werd het instrument met
vloeibaar helium afgekoeld tot 0,1 K
Vele golflengten

41. 
 Planck werd gelanceerd in mei 2009
 Werd naar het tweede libratiepunt van het aarde-zon
systeem gebracht: 1,5 miljoen km achter de aarde, van de
zon uit gezien
 Februari 2010: eerste overzicht van de hele hemel voltooid
 In februari 2013 tweede gedetailleerde overzicht voltooid.
Zo hebben we nu een volledige, zeer gedetailleerde kaart
van de vroege kosmos verkregen (gepubliceerd 21-03-’13)
 In april 2013 was alle helium verdampt en dat betekende
het eind van Planck’s productieve leven; de satelliet werd
op een verre baan het zonnestelsel in gezonden
Een korte geschiedenis

42. 
Het ALMA
observatorium
Hoog in de Chileense bergen

43. 
Begin 2013 werd het internationale
ALMA radio-observatorium geopend

44. 
Samenwerking ESO, USA, oost-Azië. Locatie: 5000 m
hoog in de noordelijke Andes. Einddoel is 66
antennes en één grotere 12 m antenne

45. 
 ALMA wil iets soortgelijks als Planck maar meet met de
radiotechniek. Maar .. in het sub-millimeter golflengte
gebied is de absorptie door waterdamp zeer groot
 In de woestijn van Atacama is de lucht extreem droog,
vooral in de ijle lucht op die hoogte
 Dat maakt deze bijzondere waarnemingen mogelijk
 De vele ontvangers maken interferometrie mogelijk en dat
leidt tot een grote gedetailleerdheid
 Zo kunnen we een scherp beeld krijgen van het
onderzochte deel van het heelal
Waarom die extreme hoogte?

46. 
Resultaten, verkregen door de
diverse instrumenten
Veel nieuwe waarnemingen van Geboortegolf stelsels: (‘starburst
galaxies’): dit zijn melkwegstelsels waarin op grote schaal sterren
worden gevormd

47. 
 Ze geven aanleiding tot de geboorte van honderden tot
vele duizenden sterren per jaar (vgl. ons melkwegstelsel:
ca. 1 ster per jaar)
 Ook daardoor stralen ze tot duizend malen sterker dan
ons eigen melkwegstelsel
 Ze komen vooral voor tussen 1 en 3 miljard jaren na de
oerknal (ALMA)
 De helft van alle sterren ontstonden in geboortegolf
stelsels
 Dat beklemtoont het belang van het onderzoek van
stervorming in het vroege heelal
Geboortegolf (starburst) stelsels

48. 
Verre geboorteplaats: HFLS3 starburst

49. 
 Ontdekt door Herschel telescoop – klein rood vlekje
 Nader onderzocht o.m. door de Keck telescopen,
Hawaii
 Was bij ontdekking het verste geboortegolf stelsel
 Produceert 2000 maal zoveel sterren als ons eigen
stelsel
 Heelal is daar 880 miljoen jaar oud
 Waren het twee stelsels of één? Bij nader onderzoek:
het laatste. Maar zie de verwarrende vorm!
Misschien uit twee ontstaan?
HFLS3

50. 
HFLS3 in detail

51. 
Herschel ontdekte botsing van
stelsels; dat versnelt stervorming

52. 
Dat zal ook gebeuren met ons stelsel!
Botsing met het Andromeda stelsel

53. 
 Bij de ontmoeting, over 3 miljard jaar, zullen de
sterren van beide stelsels elkaar ongehinderd
passeren staan te ver van elkaar)
 Maar het gas botst en comprimeert
 Dat is de basis van stervorming
 Het samengesmolten stelsel is dan een stelsel van
massale stervorming
 Daarna hebben beide stelsels weinig gas meer over
 Dat kan het einde betekenen van stergeboorte in
deze stelsels
Over 3 miljard jaar

54. 
 Ontdekte vijf minuscule stelsels
 Ze staan in een bij elkaar horend groepje
 Snelheidsmeting toonde dat deze staan op een
afstand van 13,1 miljard lichtjaren
 Ze bestonden dus reeds toen het heelal pas 700
miljoen jaar oud was
 Vermoedelijk zal ook hier samensmelten optreden,
gepaard aan intensieve stervorming
Een ontdekking van de Hubble
telescoop

55. 
De recordhouder: MACS0647-JD. 420 – 500
miljoen jaar na de oerknal. Een klein object; nog in de groei?

56. 
Het uiteindelijke resultaat van Planck (maart 2013)

57. 
 We zien hier het heelal toen het ca. 380 000 jaar oud was
 Het beeld lijkt de hypothese van de homogene oerknal
enigszins te bevestigen (het ‘standaard kosmologisch
model’ dat een homogeen en isotroop heelal onderstelt)
 Maar toch niet helemaal: een deel van het heelal is wat
kouder dan het andere deel
 En een nog kouder vlekje (omlijnd)
 Dus toch niet het standard model? Het heelal lijkt wat
gecompliceerder dan we dachten
Onverwachte resultaten!

58. 
 Een wonderlijke strook; aan de ene kant is temperatuur
iets hoger is dan daaronder
 Die strook valt wel vrijwel samen met de ecliptica. Dat
geeft te denken, maar die anomalie was al eerder
gevonden met WMAP en lijkt dus wel reëel
 Is het koude vlekje ( omlijnd) misschien gevolg van de
invloed van een naburig heelal in het Multiversum??? Een
stoutmoedige hypothese, nader onderzoek waard!
 Kortom: we kunnen nu het kosmologische model
verfijnen –wat zal dat opleveren?
 Zie ook E. Mathlener, ZENIT, mei 2013, p. 22-23
Enige details

59. 
Hoe ontstonden de
melkwegstelsels?
We bezien een doorsnede uit het meer nabije deel
van het heelal tot op een afstand van ruim 2
miljard lichtjaren; onderdeel van Sloan Digital
Sky Survey

60. 
Stelsels vooral op ’draden’ en ‘knopen’ van het netwerk.
(z=0,14 betekent dat de snelheid = 0,14 maal lichtsnelheid = 42000 km/sec; komt
overeen met afstand 700 Mpc= 2,3 miljard lichtjaar (zie Hubble’s grafiek))

61. 
We onderstellen nu dat ook in het vroege heelal de
onregelmatigheden de basis zijn van de latere
melkwegstelsels. (Zag Herschel hier een geboorte ?)

62. 
 Een ESO consortium van 19 astronomen uit twaalf
Europese landen onderzoekt de groei van
melkwegstelsels. Eerste voorlopige resultaten
 Lichtsterkte neemt toe met de tijd – d.i. met
afnemende afstand tot ons; groeiende stelsels
 Op 11 Miljard lichtjaren: relatieve helderheid = 1
 Op 8 Miljard ………………………………. = 1.8
 Conclusies: stelsels groeien, vermoedelijk door
botsingen en samensmelten. Vooral in hun jeugd
De groei van melkwegstelsels

63. 
Als een melkwegstelsel eenmaal bestaat vormen zich
sterren op de knopen en filamenten van het gas

64. 
 De kleine condensaties in het primaire heelal (zie de resultaten van
Wilkinson en Planck) kunnen verder samenkrimpen onder invloed
van de zwaartekracht
 Botsingen kunnen leiden tot samensmelten; zo ontstaan grotere stelsels
 In de loop van de tijd blijven de stelsels aanvankelijk groeien
 Vooral uit botsingen ontstaan gas-rijke melkwegstelsels.
 Het gas van deze stelsels klontert tezamen tot sterren
 En ook de zeer zware zwarte gaten die in vrijwel alle grote stelsels
voorkomen spelen een rol
 Stelsels met massa’s van boven ca. 300 miljard zonsmassa’s worden de
geboortegolf- (starburst-) stelsels genoemd.
Korte ontstaansgeschiedenis

65. 
Samengevat: Evolutie van het heelal
Schets van de huidige resultaten

66. 
In woorden samengevat:
De eerste melkwegstelsels ontstonden toen het heelal ca. 400 - 800
miljoen jaar oud was; vele daarvan smolten tezamen tot grotere
stelsels
Dat werden gas-rijke objecten, waarin veel sterren ontstonden, tot
duizenden per jaar
Daarin vormden zich aanvankelijk extreem zware sterren die kort
leefden en die het heelal verrijkten met atomen zwaarder dan
waterstof en helium

67. 
DANK U !
Deze presentatie heeft relatie met die van eerder gegeven lezingen. Zie de
volgende presentaties op deze website:
1- oerknal
3-eerste sterren
4- evolutie melkwegstelsels