Astronomen zeggen dat ze de eerste sterren van het heelal hebben gezien

Een groep astronomen die gegevens van de James Webb Space Telescope (JWST) bestuderen, hebben een glimp opgevangen van licht van een zeldzame isotoop van helium in een ver sterrenstelsel, wat zou kunnen duiden op de aanwezigheid van de allereerste generatie sterren in het universum.

Deze lang gezochte, ten onrechte ‘Populatie III’-sterren genoemd, zouden gigantische bollen van waterstof en helium zijn geweest, gevormd uit het oergas van het universum. Theoretici begonnen zich deze eerste vuurballen in de jaren zeventig voor te stellen, met de hypothese dat ze na een korte levensduur als supernova's explodeerden, zwaardere elementen smeedden en deze in de kosmos spuwden. Dat sterrenmateriaal gaf later aanleiding tot Populatie II-sterren die overvloediger aanwezig waren in zware elementen, en vervolgens zelfs rijkere Populatie I-sterren zoals onze zon, evenals planeten, asteroïden, kometen en uiteindelijk het leven zelf.

“Wij bestaan ​​en daarom weten we dat er een eerste generatie sterren moet zijn geweest”, zegt hij Rebecca Bowler, een astronoom aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk.

Nu denken Xin Wang, een astronoom aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, en zijn collega's dat ze ze hebben gevonden. “Het is echt surrealistisch,” zei Wang. Bevestiging is nog steeds nodig; het teampapier, geplaatst op de preprint-server arxiv.org op 8 december wacht op peer review bij NATUUR.

Zelfs als de onderzoekers ongelijk hebben, is een overtuigender detectie van de eerste sterren wellicht niet ver weg. JWST, dat is het transformeren van grote delen van de astronomie, wordt verondersteld in staat te zijn ver genoeg weg te kijken in ruimte en tijd om ze te zien. De gigantische zwevende telescoop heeft al verre sterrenstelsels ontdekt waarvan de ongewone eigenschappen helderheid suggereert dat ze Populatie III-sterren kunnen bevatten. En andere onderzoeksgroepen die met JWST strijden om de sterren te ontdekken, analyseren nu hun eigen gegevens. “Dit is absoluut een van de meest actuele vragen”, zei hij Mike Norman, een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, San Diego die de sterren bestudeert in computersimulaties.

Een definitieve ontdekking zou astronomen in staat stellen de grootte en het uiterlijk van de sterren te onderzoeken, toen ze bestonden en hoe ze in de oerduisternis plotseling oplichtten.

"Het is echt een van de meest fundamentele veranderingen in de geschiedenis van het universum", zei Bowler.

Bevolking III

Ongeveer 400,000 jaar na de oerknal zijn elektronen, protonen en neutronen zo ver neergedaald dat ze zich kunnen combineren tot waterstof- en heliumatomen. Terwijl de temperatuur bleef dalen, klonterde de donkere materie geleidelijk samen en trok de atomen met zich mee. Binnenin de klonten werden waterstof en helium door de zwaartekracht verpletterd en condenseerden tot enorme gasbollen totdat, zodra de ballen compact genoeg waren, plotseling kernfusie in hun kernen ontbrandde. De eerste sterren werden geboren.

De Duitse astronoom Walter Baade gecategoriseerd de sterren in onze Melkweg in type I en II in 1944. De eerste omvat onze zon en andere metaalrijke sterren; de laatste bevat oudere sterren gemaakt van lichtere elementen. Het idee van Populatie III-sterren kwam decennia later in de literatuur terecht. In een artikel uit 1984 waarin hun profiel werd benadrukt, stelde de Britse astrofysicus Bernard Carr beschreef de cruciale rol dit oorspronkelijke sterrenras speelde mogelijk in het vroege universum. ‘Hun hitte of explosies hadden het universum kunnen reïoniseren,’ schreven Carr en zijn collega’s, ‘… en hun opbrengst aan zware elementen had een uitbarsting van pregalactische verrijking kunnen teweegbrengen,’ waardoor latere sterren ontstonden die rijker waren aan zwaardere elementen.

Carr en zijn co-auteurs schatten dat de sterren enorm groot hadden kunnen worden, met afmetingen tussen een paar honderd en 100,000 maal zwaarder dan onze zon, vanwege de grote hoeveelheid waterstof- en heliumgas die beschikbaar was in het vroege heelal.

De sterren aan de zwaardere kant van het bereik, de zogenaamde supermassieve sterren, zouden relatief koel, rood en opgeblazen zijn geweest, met afmetingen die bijna ons hele zonnestelsel zouden kunnen omvatten. Dichtere, bescheidener varianten van Populatie III-sterren zouden blauwgloeiend hebben geschenen, met oppervlaktetemperaturen van zo'n 50,000 graden Celsius, vergeleken met slechts 5,500 graden voor onze zon.

In 2001 werden computersimulaties onder leiding van Norman uitgelegd hoe zulke grote sterren konden ontstaan. In het huidige heelal fragmenteren gaswolken in heel veel kleine sterren. Maar de simulaties lieten zien dat gaswolken in het vroege heelal, die veel heter zijn dan moderne wolken, niet zo gemakkelijk konden condenseren en daarom minder efficiënt waren bij de vorming van sterren. In plaats daarvan zouden hele wolken samenvallen tot één enkele gigantische ster.

Door hun enorme proporties hadden de sterren een korte levensduur, hooguit een paar miljoen jaar. (Mesters van grotere omvang verbranden hun beschikbare brandstof sneller.) Als zodanig zouden Populatie III-sterren niet lang hebben bestaan ​​in de geschiedenis van het universum – misschien een paar honderd miljoen jaar toen de laatste plekken met oergas verdwenen.

Er zijn veel onzekerheden. Hoe zwaar zijn deze sterren werkelijk geworden? Tot hoe laat in het universum bestonden ze? En hoe talrijk waren ze in het vroege heelal? “Het zijn compleet andere sterren dan de sterren in ons eigen sterrenstelsel,” zei Bowler. "Het zijn gewoon zulke interessante objecten."

Omdat ze zo ver weg zijn en zo kort bestonden, was het vinden van bewijs ervoor een uitdaging. In 1999 voorspelden astronomen van de Universiteit van Colorado, Boulder, echter dat de sterren dat wel zouden doen een veelbetekenende handtekening produceren: een specifieke lichtfrequentie van helium-2. Deze onstabiele vorm van helium bevat slechts twee protonen in de kern, terwijl regulier helium ook twee neutronen heeft. “De heliumemissie komt eigenlijk niet uit de sterren zelf”, legt James Trussler uit, een astronoom aan de Universiteit van Manchester; het ontstond eerder toen energetische fotonen van de hete oppervlakken van de sterren in het gas rondom de ster terechtkwamen.

"Het is een relatief eenvoudige voorspelling", zegt Daniel Schaerer van de Universiteit van Genève In 2002 werd het idee verder uitgewerkt. De jacht was begonnen. 

Het vinden van de eerste sterren

In 2015 dachten Schaerer en zijn collega's dat ze misschien iets hadden gevonden. Zij een mogelijke hint ontdekt van een helium-2-signatuur in een ver, primitief sterrenstelsel dat mogelijk verband houdt met een groep Populatie III-sterren. Zoals het er 800 miljoen jaar na de oerknal uitzag, zag het eruit alsof het het eerste bewijs van de eerste sterren in het heelal zou kunnen bevatten.

Later werk onder leiding van Bowler betwistte de bevindingen. “We hebben bewijs gevonden voor zuurstofuitstoot vanuit de bron. Dat sloot een puur Populatie III-scenario uit”, zei ze. Een onafhankelijke groep dus kon de helium-2-lijn niet detecteren gezien door het eerste team. 'Het was er niet', zei Bowler.

Kunnen anderen het beter doen?

astronomen vestigden hun hoop op JWST, die in december 2021 werd gelanceerd. De telescoop kan met zijn enorme spiegel en ongekende gevoeligheid voor infrarood licht gemakkelijker in het vroege heelal kijken dan welke telescoop dan ook. (Omdat het licht tijd nodig heeft om hierheen te reizen, ziet de telescoop zwakke, verre objecten zoals ze lang geleden verschenen.) De telescoop kan ook aan spectroscopie doen, waarbij hij licht opsplitst in de samenstellende golflengten, waardoor hij kan zoeken naar het helium-2-kenmerk van Populatie III-sterren.

Wangs team analyseerde spectroscopiegegevens voor meer dan 2,000 JWST-doelen. Het ene is een ver sterrenstelsel zoals het er slechts 620 miljoen jaar na de oerknal uitzag. Volgens de onderzoekers is het sterrenstelsel in twee stukken gesplitst. Uit hun analyse bleek dat de ene helft de sleutelsignatuur lijkt te hebben van helium-2 vermengd met licht van andere elementen, wat mogelijk wijst op een hybride populatie van duizenden Populatie III- en andere sterren. Spectroscopie van de tweede helft van het sterrenstelsel moet nog worden uitgevoerd, maar de helderheid ervan duidt op een omgeving die rijker is aan Populatie III.

“We proberen in de volgende cyclus observatietijd voor JWST aan te vragen om het hele sterrenstelsel te bestrijken,” zei Wang, om “een kans te krijgen dergelijke objecten te bevestigen.”

Het sterrenstelsel is volgens Norman een ‘hoofdkrabber’. Als de helium-2-resultaten nauwkeurig onderzoek doorstaan, zei hij, “is een mogelijkheid een cluster van Populatie III-sterren.” Hij weet echter niet zeker of Populatie III-sterren en latere sterren zich zo gemakkelijk met elkaar kunnen vermengen.

Daniël Whalen, een astrofysicus aan de Universiteit van Portsmouth, was eveneens voorzichtig. “Het zou zeker een bewijs kunnen zijn van een mengsel van Populatie III- en Populatie II-sterren in één sterrenstelsel,” zei hij. Hoewel dit “het eerste directe bewijs” zou zijn van de eerste sterren van het universum, zei Whalen, “is het geen zuiver bewijs.” Andere gloeiend hete kosmische objecten kunnen een soortgelijke signatuur van helium-2 produceren, inclusief verschroeiende schijven van materiaal die rond zwarte gaten wervelen.

Wang denkt dat zijn team een ​​zwart gat als bron kan uitsluiten, omdat ze geen specifieke zuurstof-, stikstof- of geïoniseerde koolstofsignaturen hebben gedetecteerd die in dat geval zouden worden verwacht. Het werk wacht echter nog steeds op peer review, en zelfs dan zullen vervolgobservaties de potentiële bevindingen moeten bevestigen.

Heet op het pad

Andere groepen die JWST gebruiken, zijn ook op jacht naar de eerste sterren.

Naast het zoeken naar helium-2 is een andere zoekmethode, voorgesteld door de astronoom Rogier Windhorst van de Arizona State University en collega's in 2018, het gebruik de zwaartekracht van gigantische clusters van sterrenstelsels om individuele sterren in het vroege heelal te kunnen zien. Het gebruik van een massief object zoals een cluster om licht te vervormen en verder weg gelegen objecten te vergroten (een techniek die bekend staat als zwaartekrachtlensing) is een gebruikelijke manier waarop astronomen beelden van verre sterrenstelsels verkrijgen. Windhorst geloofde dat zelfs individuele Populatie III-sterren die de rand van een zware cluster naderen “in principe een vrijwel oneindige vergroting kunnen ondergaan” en in beeld kunnen verschijnen, zei hij.

Windhorst leidt een JWST-programma de techniek proberen. "Ik ben er vrij zeker van dat we er over een jaar of twee wel een paar zullen hebben gezien", zei hij. “We hebben al enkele kandidaten.” Op dezelfde manier is Eros Vanzella, een astronoom bij het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië, dat ook het leiden van een programma dat is het bestuderen van een groep van 10 of 20 kandidaat-populatie III-sterren met behulp van zwaartekrachtlenzen. ‘We spelen nu alleen maar met de gegevens’, zei hij.

En er blijft de verleidelijke mogelijkheid dat sommige van de onverwacht heldere sterrenstelsels die al door JWST in het vroege heelal werden waargenomen, zouden hun helderheid te danken kunnen hebben aan massieve Populatie III-sterren. ‘Dit zijn precies de tijdperken waarin we verwachten dat de eerste sterren zich zullen vormen’, zegt Vanzella. ‘Ik hoop… dat in de komende weken of maanden de eerste sterren zullen worden gedetecteerd.’