Zo’n duizend extreem verre sterrenstelsels heeft ruimtetelescoop James Webb nu ontdekt, flarden van de jeugd van het heelal. Die stelsels verbazen astronomen nogal eens. Was de jonge kosmos soms heel anders?
Ze kan zich er nog dagelijks over verbazen, zegt sterrenkundige Pratika Dayal van de Rijksuniversiteit Groningen. ‘We kijken nu dieper het heelal in dan ooit eerder in de geschiedenis van de mensheid. En wat we daar zien, de kwaliteit en hoeveelheid van onze meetgegevens, overtreft nu al onze stoutste verwachtingen.’
Ruimtetelescoop James Webb, het vlaggeschip van de internationale sterrenkunde, werd op Eerste Kerstdag 2021 gelanceerd en helpt sindsdien de kosmische geschiedenis inkleuren. Wie verder kijkt in de ruimte, kijkt namelijk ook terug in de tijd, simpelweg omdat het licht afkomstig van heel verre plekken er gerust miljarden jaren over doet om ons te bereiken. Geen enkele telescoop kan verder – en dus eerder – kijken dan Webb, zo luidde vooraf al de belofte. ‘En toch kwam veel van wat we nu zien als een echte verrassing’, zegt Dayal.
Wie de koppen van de internationale populairwetenschappelijke media erop naslaat, vermoedt zelfs dat er een heuse kosmische revolutie op stapel staat. ‘James Webb vindt zeer oud sterrenstelsel dat de kosmologie overhoop dreigt te gooien’, schreef ruimtenieuwssite Space.com bijvoorbeeld in februari van dit jaar. ‘Hoe ruimtetelescoop James Webb het universum brak’, kopte MIT Technology Review in januari vorig jaar. Het zijn slechts twee voorbeelden van de vele berichten die al bijna twee jaar lang met grote regelmaat in de internationale media opduiken.
En dat terwijl de vroegste meldingen van universum overhoop gooiende stelsels juist met een sisser afliepen. Twee weken nadat Webb begin 2022 z’n eerste beelden had gepresenteerd, sijpelden de eerste berichten binnen dat het menselijk begrip van de kosmos best eens fundamentele barsten zou kunnen vertonen. Het zeer jonge heelal bleek veel meer sterrenstelsels te bevatten dan werd verwacht op basis van wat de natuurkundeboeken voorschreven over de evolutie van het heelal en de vorming van sterrenstelsels. Bovendien waren die jonge stelsels ook nog eens veel feller en zwaarder dan mogelijk zou moeten zijn.
George van Hal is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
‘Er was in die periode zóveel borstklopperij, er waren zóveel overdreven claims’, herinnert sterrenkundige Karina Caputi van de Rijksuniversiteit Groningen zich. En dat terwijl het bewijs nog maar heel dunnetjes was.
‘Universe breakers werden die stelsels ook wel genoemd’, zegt sterrenkundige Mariska Kriek van de Universiteit Leiden. ‘Het was best een spannende tijd, maar al die stelsels zijn weer afgeserveerd: het waren toch geen kandidaten die de kosmologie kapot kunnen maken.’
Zo bleken veel van die sterrenstelsels na meer analyse toch minder ver weg te staan. ‘Dat helpt, omdat er dan meer tijd is om grotere dingen te maken’, zegt Dayal. ‘Bovendien bleken ze ook nog eens minder massa te hebben. Bij elkaar opgeteld denk ik niet dat die stelsels nog een probleem opleveren voor de kosmologie.’
En toch droogde de stroom wetenschappelijke artikelen vol opmerkelijke stelsels en enthousiaste koppen in de internationale media niet op nadat het eerste kosmische stof was neergedaald. Hadden wetenschappers en media soms massaal de memo gemist dat er bij nader inzien toch niks aan de hand is?
Nee, oordeelt Kriek. Ook al zetten deze stelsels niet de totale kosmologie op de kop, er is tóch iets opmerkelijks aan de hand. ‘Er is echt van alles dat we nog niet begrijpen.’
Bovendien: ook nu nog duikt er geregeld een sterrenstelsel op dat het menselijk begrip van het kosmische tot het uiterste tart. Neem bijvoorbeeld stelsel GS-9209, waarover astronomen vorig jaar mei in vakblad Nature rapporteerden. ‘Bij dat onderzoek dacht ik echt: wow!’
In hun artikel schrijven de onderzoekers dat GS-9209 vanaf het moment dat het heelal 600 miljoen jaar oud was tot 200 miljoen jaar daarna net zoveel sterren wist te fabriceren als de Melkweg nu heeft. De geboorte van sterren verliep daar veel sneller dan bij sterrenstelsels in het hier en nu. Bovendien bleek het stelsel een veel zwaarder zwart gat te bevatten dan je zou mogen verwachten.
‘Komen er straks veel van dat soort ontdekkingen, dan hebben we alsnog echt een probleem’, zegt Kriek, doelend op het feit dat de manier waarop de sterren ontstonden – in een plotselinge flits – én het formaat van het zwarte gat niet goed passen in de huidige theorieën.
Beluister hieronder ook onze wetenschapspodcast over de mysterieuze kindertijd van ons heelal.
Video wordt geladen...
Ondertussen duiken ook bij andere zeer verre stelsels aanwijzingen op dat de sterren in het jonge heelal in extreem snelle golven geboren werden. ‘Sommige van deze stelsels verdubbelden hun aantal sterren in ongeveer tien miljoen jaar, astronomisch gezien duizelingwekkend snel’, zegt Caputi, die GS-9209 in 2004, nog voor het Webb-tijdperk, als eerste ontdekte. ‘In het lokale heelal zijn zulke starburst-stelsels, zoals we sterrenstelsels noemen die dergelijke geboortegolven ondergaan, heel erg zeldzaam. Maar met James Webb zien we dat ze vanaf een roodverschuiving van 7 of 8 heel veel voorkomen.’
Roodverschuiving is de vakterm die astronomen gebruiken om de afstand van een sterrenstelsel te beschrijven. De term verwijst naar het Doppler-effect, dat je in het dagelijks leven onder meer kunt horen in het veranderen van de toonhoogte van een sirene wanneer een ambulance op hoge snelheid voorbij raast.
Wat toonhoogte is voor geluid, is kleur voor licht. Sterrenstelsels die verder van ons weg staan, bewegen vanwege de uitdijing van het heelal ook sneller bij ons vandaan en ogen daardoor steeds roder. Een roodverschuiving van 8 hebben stelsels wanneer hun licht zo’n 600 miljoen jaar na de oerknal vertrok. Ter vergelijking: de leeftijd van het heelal is 13,8 miljard jaar. Die van de aarde is 4,5 miljard jaar. Homo sapiens, de menssoort waartoe wij behoren, bestaat pas zo’n 300 duizend jaar.
Het diepste dat Webb het heelal in heeft gekeken is roodverschuiving 13, zo’n 300 miljoen jaar na de oerknal, zegt Dayal, oftewel zo’n 13,5 miljard jaar geleden. ‘Toen was het heelal natuurkundig gezien heel anders dan nu’, zegt ze. ‘Sterrenstelsels waren veel compacter en elektromagnetische velden waren veel sterker. Sterrenstelsels bevatten veel minder metalen en veel minder stof.’
Ook in de waarnemingen van haar collega’s ziet ze genoeg aanwijzingen dat de jeugdjaren van de kosmos er anders uitzagen. ‘Observaties laten behoorlijk raadselachtige dingen zien. Sommige sterrenstelsels zijn nog altijd te helder, anderen nog steeds te zwaar en er zijn meer zwarte gaten dan we hadden verwacht. Die zwarte gaten zijn op hun beurt weer te zwaar in vergelijking met hun thuissterrenstelsel’, zegt ze. ‘Sommige stelsels hebben zelfs zwarte gaten die zo’n 50 procent van de massa hebben van het gehele stelsel. In de huidige sterrenstelsels, in het lokale universum, is dat meestal zo’n 0,1 procent. Dat enorme verschil begrijpen we nog niet.’
Daarom ontwikkelt Dayal zo nauwkeurig mogelijke computermodellen, die ze voedt met de verse stroom aan gegevens van James Webb. ‘Dat begint vaak simpel. Wanneer ik met groepen samenwerk die waarnemingen doen aan dit soort extreem verre sterrenstelsels, doe ik eerst berekeningen met pen en papier. We moeten meestal terug naar de basis: wat zou je nodig hebben om deze objecten te kunnen begrijpen?’
De volgende stap is wat ze ‘semi-analytische modellen’ noemt, relatief simpele simulaties die na een paar minuten een basale uitslag geven. ‘Die hebben veel vrijheid en flexibiliteit. Ik kan dan bijvoorbeeld zeggen: ik doe een berekening met zwarte gaten, of zonder zwarte gaten. Ik voeg wel of geen stof toe, dat soort dingen.’
Hebben die simulaties de contouren duidelijk gemaakt, dan zet ze de stap naar wat ze ‘hydrodynamische simulaties’ noemt, veel uitvoeriger simulaties van het heelal die soms wel een half jaar moeten draaien voordat ze een antwoord opleveren.
‘We hebben nog nooit zoveel statistische gegevens gehad. We kennen meer dan duizend sterrenstelsels in het vroege heelal waarvan we de afstand met vervolgmetingen hebben bevestigd. Dat aantal was twee jaar terug totaal ondenkbaar. En met al die gegevens kunnen we nu voorspellingen doen’, zegt ze.
Dayal hoopt daarom dat ze de eerste mysteries van de jeugdjaren van het heelal op korte termijn al kan oplossen. ‘Neem nu het feit dat we te veel heel heldere sterrenstelsels zien op een roodverschuiving hoger dan 11’, zegt ze. Daarvoor bestaan meerdere potentiële verklaringen. ‘Een daarvan is dat deze stelsels zo compact zijn dat stof meteen wordt weggeblazen door de stralingsdruk van zware sterren’, zegt ze. Omdat stof normaliter het sterlicht blokkeert, zouden ze dan relatief te helder lijken.
Ook kan het zijn dat zulke stelsels zwarte gaten bevatten die vrij helder zijn, of dat de massaverdeling van sterren heel anders is dan verwacht. En zo zijn er nog meer mogelijke verklaringen.
‘We kunnen die verklaringen in onze modellen stoppen en die modellen ijken aan de gegevens van stelsels met een roodverschuiving hoger dan 11. Het leuke is: alle modellen doen dan weer andere voorspellingen voor wat je zult zien in sterrenstelsels op nóg hogere roodverschuiving.’ Omdat Webb de komende jaren meetgegevens van zulke stelsels zal aanleveren, weten sterrenkundigen straks hopelijk welk van de modellen de juiste is.
De stelsels die Kriek, Caputi, Dayal en wereldwijd nog vele andere sterrenkundigen bestuderen, zijn in zekere zin tegelijk oud en jong. Op de foto zijn ze vanwege hun afstand allereerst enkele honderden miljoenen jaren jong, in een heelal dat zélf ook jong is. Beschouw de kosmos als iemand van 50, en die foto’s tonen de peuter- en kleutertijd.
Maar in het nu zijn diezelfde stelsels juist oud, bijna zo oud als het gehele heelal. ‘Sterrenstelsels zijn een soort legoblokjes. Je begint met iets kleins en klikt ze aan elkaar vast totdat je iets groters hebt. De meest verre stelsels die we kunnen zien met Webb, zijn inmiddels waarschijnlijk onderdeel van grotere sterrenstelsels zoals onze Melkweg’, zegt Dayal.
Hoe indrukwekkend peuterfoto’s ook zijn, kosmische babyfoto’s zijn nog niet gemaakt. Sterrenkundigen zouden dolgraag de allereerste sterrenstelsels in het heelal bestuderen, maar de nu ontdekte stelsels bevatten allemaal sterren van minimaal de tweede generatie. ‘Al deze stelsels bevatten metalen’, zegt Dayal, verwijzend naar de zwaardere elementen die door kernfusie ontstaan in het binnenste van sterren. Metalen kunnen alleen in die stelsels aanwezig zijn nadat een vorige generatie sterren ze eerst heeft gemaakt.
De allereerste generatie sterren en sterrenstelsels zou louter moeten bestaan uit de elementen die bij de oerknal ontstonden: waterstof, helium en een heel klein beetje lithium. ‘Hoe kort na de oerknal die eerste stelsels ontstonden, weten we niet. Sommige modellen denken zelfs bij een roodverschuiving van 30’, zegt Dayal. Het probleem is bovendien dat zulke eerstegeneratiesterren op kosmische schaal maar heel kort bestonden, voordat de volgende generatie het stokje overnam. ‘Je hebt dus extreem veel geluk nodig om ze te zien.’
Vooralsnog leveren de kinderfoto’s al voldoende informatie op voor een fikse stroom van nieuwe inzichten in het jonge heelal. Dayal: ‘We moeten voorzichtig zijn en niet te hard roepen dat we met al die informatie de sterrenkunde breken of omverwerpen. Het is eerder een soort evolutie. Maar voor de astronomie is dit hoe dan ook een unieke tijd: eindelijk weten we hoe het heelal er 13,5 miljard jaar geleden uit zag.’
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant