Volgens de New Horizons zijn er veel minder sterrenstelsels

New Horizons artist impressie
Artist impressie van de New Horizons. Credit: Joe Olmsted (STScI)

Nieuwe metingen van de donkerte van het heelal tonen aan dat er “slechts” honderden miljarden sterrenstelsels zijn.

Hoe donker is de sterrenhemel en wat zegt ons dat over het aantal sterrenstelsels in het zichtbare heelal? Astronomen kunnen het aantal sterrenstelsels schatten door alles te tellen wat ze in een Hubble Deep Field opname zien en dat vermenigvuldigen met het totale oppervlak van de sterrenhemel. Maar andere sterrenstelsels zijn te zwak en te ver weg om rechtstreeks te kunnen zien. En alhoewel we ze niet kunnen tellen is hun licht wel als een zwakke gloed zichtbaar.

Om die gloed te kunnen meten moeten astronomische satellieten de binnenste delen van ons zonnestelsel verlaten want de lichtvervuiling daar, veroorzaakt door stofdeeltjes die zonlicht reflecteren, stoort enorm. Een team van wetenschappers heeft waarnemingen gedaan met de New Horizons-missie naar Pluto en de Kuipergordel gebruikt om de helderheid van de kosmische achtergrond te meten. Hun resultaat stelt een bovengrens aan de hoeveelheid zwakke, onopgeloste sterrenstelsels. In hun berekeningen komen ze aan een maximum van honderden miljarden sterrenstelsels en niet de twee biljoen die eerder werden aangenomen.

Zodiakaal licht en de melkweg
Deze foto toont een fenomeen dat we kennen als zodiakaal licht. Vanuit linksonder is er een licht gloed zichtbaar naar rechtsboven in de richting va Jupiter (het helderste object). Zodiakaal licht wordt veroorzaakt door kleine stofdeeltjes in de binnenste delen van het zonnestelsel die zonlicht reflecteren. Deze stofdeeltjes zijn de overblijfselen van asteroïden en kometen. Deze deeltjes zijn er de oorzaak van dat de Hubble Sapce Telescope niet in staat is om in zichtbaar licht naar de achtergrondgloed van het heelal te kijken. Credit: Zolt Levay

Hoe donker is de ruimte?

Als je ver van storend stadslicht naar boven kijkt dan lijkt de lucht tussen de sterren inderdaad erg donker. Voorbij de atmosfeer van de Aarde vervaagt de ruimte nog verder tot een inktzwarte kleur. En toch is de ruimte daar nog steeds niet helemaal zwart. Het heelal vertoont een zwakke gloed die wordt veroorzaakt door ontelbare verre sterren en sterrenstelsels.

Nieuwe metingen van die zwakke achtergrondgloed tonen aan dat er veel minder onzichtbare sterrenstelsels zijn dan sommige theoretische studies suggereerden. Het zouden er honderden miljarden zijn in plaats van de voorheen berekende twee biljoen.

Hoeveel sterrenstelsels er zijn is belangrijk om te weten, aldus de onderzoekers. Ze zien eenvoudigweg niet de hoeveelheid licht die overeenkomt met 2 biljoen sterrenstelsels.

De eerdere schatting was geëxtrapoleerd uit de Deep Field waarnemingen die met de Hubble Space Telescope zijn gedaan. De berekening berustte op wiskundige modellen die schatten hoeveel sterrenstelsels er te klein en te lichtzwak zijn om door de Hubble te worden gezien. Destijds werd geconcludeerd dat 90% van alle sterrenstelsels in het heelal buiten het bereik van de Hubble liggen. De nieuwe bevindingen, die zijn gebaseerd op metingen door de New Horizons missie van de NASA, wijzen op een veel kleiner aantal sterrenstelsels.

Volgens een van de onderzoekers zien ze in de New Horizons metingen het licht terug van alle sterren stelsels die Hubble kan zien maal twee.

De resultaten van het onderzoek werden op 13 januari tijdens een meeting van de American Astronomical Society, gepresenteerd.

De kosmische optische achtergrond die het team probeerde te meten is het zichtbaar licht-equivalent van de meer bekende kosmische achtergrondstraling, de zwakke nagloed van de Oerknal zelf, ontstaan voordat de eerste sterren bestonden.

De kosmische achtergrondstraling vertelt astronomen iets over de eerste 450.000 jaar na de Oerknal. De kosmische optische achtergrondstraling vertelt astronomen iets over de som van het totale aantal sterren dat sinds die tijd ooit is ontstaan. Het legt een beperking op het totale aantal sterrenstelsels dat is ontstaan en waar ze zich in de tijd kunnen bevinden.

Hoe krachtig de Hubble ook is, voor dit soort waarnemingen is de telescoop niet geschikt. De Hubble draait in een baan om de Aarde en heeft dus last van lichtvervuiling. De binnenste delen van het zonnestelsel bevatten veel stofdeeltjes van uit elkaar gevallen asteroïden en kometen. Deze deeltjes reflecteren zonlicht en dat zorgt voor een gloed die we zodiakaal licht noemen en die zelfs vanaf de Aarde kan worden waargenomen.

Om aan dit zodiakale licht te ontsnappen moest het team een observatorium gebruiken dat zich buiten de binnenste delen van het zonnestelsel bevindt. Gelukkig bevindt de New Horizons ruimtesonde, die de eerste en beste beelden van Pluto en het Kuipergordel object Arrakoth maakte, zich wel ver genoeg weg voor deze metingen. Ten tijde van de metingen bevond de New Horizons zich op een afstand van ruim 6 miljard kilometer en daar is de sterrenhemel een factor 10 donkerder dan de donkerste sterrenhemel van de Hubble.

Dergelijke metingen zijn extreem moeilijk. Veel astronomen hebben ze al eerder proberen te doen. Volgens de onderzoekers heeft de New Horizons een prima uitzichtpunt om de kosmische optische achtergrond beter te meten dan ooit tevoren mogelijk was.

Het team analyseerde bestaande opnames uit de New Horizons archieven. Om de zwakke achtergrondgloed weg te werken moesten ze voor een aantal factoren corrigeren. Ze hebben bijvoorbeeld het licht van sterrenstelsels die naar verwachting zullen bestaan en die te zwak zijn om te identificeren, verwijderd. De meest uitdagende correctie was het verwijderen van licht van sterren in ons sterrenstelsel dat weerkaatst werd door interstellair stof en in de camera.

Het resterende licht, alhoewel extreem zwak, was nog steeds meetbaar. Het is te vergelijken met het wonen in een afgelegen gebied ver verwijderd van stadslichten, ’s nachts in je slaapkamer liggen met de gordijnen open en dan trekt de buurman die anderhalve kilometer verderop woont  midden in de nacht zijn koelkast open op zoek naar een snack. Het licht van het lampje uit de koelkast van je verre buur weerkaatst op jouw slaapkamermuren is dan vergelijkbaar met de achtergrond die de New Horizons ontdekte.

Wat zou de bron kunnen zijn van de overgebleven gloed? Het is mogelijk dat veel dwergsterrenstelsels in het relatief nabije heelal niet detecteerbaar zijn. Of de diffuse halo’s van sterren die sterrenstelsels omhullen zijn helderder dan verwacht. Er bestaat misschien een grote populatie thuisloze, intergalactische sterren verspreid over het heelal. Het meest interessante is dat er misschien veel meer zwakke, verre sterrenstelsels bestaan dan de huidige theorieën voorspellen. Dit zou betekenen dat de tot nu toe gemeten gelijkmatige verdeling van sterrenstelsels sterk stijgt voorbij de zwakste systemen die we kunnen zien. Net zoals er veel meer kiezelstenen op een strand liggen dan rotsen.

De aanstaande James Webb Telescope van de NASA kan mogelijk helpen dit mysterie op te lossen. Als individuele sterrenstelsels de oorzaak zijn dan zou de Webb Ultra Deep Field opnames moeten doen om ze te kunnen detecteren.

Het onderzoek is voor publicatie geaccepteerd in de Astrophysical Journal.

 

Eerste publicatie: 16 januari 2021
Bron: Space Telescope Science Institute