Stukje bij beetje ontrafelen onderzoekers het mysterie van het vroege universum.

Wanneer zagen de eerste sterren het levenslicht? En hoe zijn die ontstaan? Het zijn vragen waar onderzoeker Eduardo Banados Torres ’s nachts van wakker ligt. “We komen echter steeds dichterbij het antwoord,” zegt hij tegen Scientias.nl. Want in een nieuwe studie verschenen in het vakblad Astrophysical Journal constateert Banados Torres dat de eerste sterren zich heel rap na de oerknal moeten hebben gevormd.

Gaswolk
De onderzoekers trekken die conclusie nadat ze per toeval op een verre gaswolk stuitten. Eigenlijk waren ze op zoek naar de vijftien meest ver weg gelegen quasars – het extreem heldere centrum van actieve sterrenstelsels – die astronomen in een eerdere studie aan het licht brachten. De onderzoekers merkten echter tot hun verbazing op dat quasar P183 + 05 een nogal ongebruikelijk spectrum had. Ze besloten het met de Magellan-telescopen in Las Campanas Observatory in Chili wat beter te bestuderen. En wat blijkt? De rare spectrale kenmerken waren de sporen van een gaswolk die heel dicht bij de verre quasar in de buurt lag. Een bijzondere vondst. Want deze gaswolk is één van de meest verre gaswolken die astronomen tot nu toe hebben ontdekt.


Verre objecten
Wanneer astronomen naar verre objecten turen, kijken ze noodzakelijkerwijs terug in de tijd. De nieuw ontdekte gaswolk is zo ver weg dat het licht dat er doorheen sijpelt er bijna 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Omgekeerd vertelt het licht dat ons nu bereikt hoe de gaswolk er 13 miljard jaar geleden – niet meer dan ongeveer 850 miljoen jaar na de oerknal – uitzag. En dit is voor astronomen een buitengewoon interessant tijdperk. Binnen de eerste honderden miljoenen jaren na de oerknal hebben zich namelijk de eerste sterren en sterrenstelsels gevormd. Maar de details over die complexe evolutie zijn nog grotendeels in de nevelen gehuld.

Werkwijze
Quasars zijn extreem heldere, actieve kernen van verre sterrenstelsels. De gloed die dit centrum genereert ontstaat door de aanwezigheid van een supermassief zwart gat dat omringd wordt door een uit gas en stof opgebouwde accretieschijf. Gas dat vanuit die accretieschijf richting het zwarte gat valt, geeft enorme hoeveelheden energie af (in de vorm van licht en straling). Hierdoor kunnen astronomen quasars gebruiken als achtergrondbronnen om waterstof en andere chemische elementen te detecteren; als een gaswolk zich rechtstreeks tussen de waarnemer en een verre quasar bevindt, wordt een deel van het licht van de quasar namelijk geabsorbeerd. Astronomen kunnen deze absorptie vervolgens detecteren door het spectrum van de quasar te bestuderen. Het patroon van deze absorptie bevat informatie over de chemische samenstelling van de gaswolk, zoals de temperatuur, dichtheid en zelfs de afstand van de wolk tot ons. Dit komt omdat elk chemisch element een eigen ‘vingerafdruk’ van spectrale kenmerken heeft: een nauw golflengtegebied waarin de atomen van dat element bijzonder goed licht kunnen uitzenden of absorberen. En dit onthult of en in welke mate een specifiek chemisch element aanwezig is.

Wat we wel weten is dat de eerste sterren die na de oerknal ontstonden vrijwel volledig uit elementen zoals waterstof, helium en kleine hoeveelheden lithium bestonden. Andere (zwaardere) elementen die we vandaag de dag in sterren aantreffen werden in de kernen van deze eerste sterren geproduceerd en tijdens supernova-explosies de ruimte in geslingerd. De volgende generatie sterren ontstond uit het puin van de eerste generatie en sloten de zwaardere elementen die de eerste generatie sterren had voortgebracht in, terwijl ze zelf ook weer meer van die zwaardere elementen produceerden. Het betekent dat de chemische samenstelling van de eerste sterren fundamenteel anders was dan die van alle latere sterren.

Samenstelling
De onderzoekers besloten de bijzondere gaswolk wat beter onder de loep te nemen. “We waren in staat om de chemische elementen (‘metalen’ ofwel alles dat zwaarder is dan helium) in de gaswolk te detecteren,” legt Banados Torres aan Scientias.nl uit. De onderzoekers vonden verschillende chemische elementen, waaronder koolstof, zuurstof, ijzer en magnesium, weliswaar in kleine hoeveelheden. “De hoeveelheden zijn ongeveer 800 keer zo klein als die in de atmosfeer van onze zon,” aldus Banados Torres.


Astronomen hebben een bijzondere gaswolk aangetroffen uit het vroege universum. De wolk bevat een van de kleinste hoeveelheden metalen die ooit in een gaswolk is aangetroffen, maar de verhoudingen van de chemische elementen is vergelijkbaar met wat in sommige hedendaagse wolken wordt aangetroffen. Afbeelding: Max Planck Institute

De onderzoekers komen tot een opvallende ontdekking. Want na analyse van de gaswolk komen ze erachter dat de chemische samenstelling van de wolk helemaal niet zo primitief is. De verhoudingen zijn verrassend vergelijkbaar met de chemische hoeveelheden die in hedendaagse metaalarme gaswolken worden teruggevonden. En dat is interessant. Want het feit dat deze gaswolk al zeer vroeg in het universum moderne verhoudingen vertoont, betekent dat de vorming van de eerste sterren veel eerder moet zijn begonnen. “Het houdt in dat meer dan één generatie sterren ontplofte als supernova,” legt Banados Torres uit. “Gedacht wordt dat de allereerste sterren metaalvrij waren en vervolgens na hun dood de eerste zware elementen produceerden. Maar de chemische sporen van deze eerste generatie sterren waren al gewist door latere explosies van sterren.”

“Willen we de sporen van de allereerste sterren ontdekken, dan moeten we nog verder terug in de kosmische geschiedenis kijken”

Veel eerder
Al met al betekent dit dat de eerste generatie sterren zich heel snel na de oerknal heeft gevormd. “Sowieso binnen 800 miljoen jaar na de oerknal,” zegt Banados Torres. Op de vraag of hij daar nog specifieker over kan zijn, moet de astronoom ons het antwoord schuldig blijven. “Op dit moment kunnen we daar alleen maar over speculeren,” zegt Banados Torres. “Maar ik zou zeggen een paar honderd miljoen jaar eerder. We hebben echter meer observaties nodig om een sluitend antwoord op die vraag te kunnen geven.” Vervolgonderzoek ligt dan ook al in het verschiet. Zo willen de onderzoekers proberen om vergelijkbare oude gaswolken te vinden. “Willen we de sporen van de allereerste sterren ontdekken, dan moeten we nog verder terug in de kosmische geschiedenis kijken.” Toch is de astronoom hoopvol. “Ik denk dat we nog meer ver weg gelegen gaswolken zullen vinden die ons kunnen helpen om te begrijpen hoe de eerste sterren zijn geboren,” zegt hij.

Op dit moment blijft het dus spannend of we binnenkort het mysterie over de oorsprong van de eerste sterren in de geschiedenis zullen oplossen. Al ziet de astronoom de toekomst rooskleurig in. “Ik ben een optimist,” biecht hij op. “Een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van de volgende generatie telescopen zoals de James Webb telescoop is het daadwerkelijk onthullen van de eerste generatie sterren. Dit is geen gemakkelijke taak, maar ik geloof dat wij de eerste generatie mensen zijn die deze ambitieuze onderneming kunnen uitvoeren.”