Een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Genève (UNIGE) en met professor Stijn Wuyts van de Universiteit van Bath heeft drie ultramassieve sterrenstelsels geïdentificeerd, elk bijna net zo massief als de Melkweg, die zich al binnen de eerste miljard jaar na de oerknal hadden gevormd. De resultaten van de onderzoekers wijzen erop dat de vorming van sterren in het vroege heelal veel efficiënter was dan eerder werd gedacht, waardoor bestaande modellen voor de vorming van sterrenstelsels op losse schroeven komen te staan.
De verrassende ontdekking, vandaag beschreven in het tijdschrift Nature, is gedaan door de James Webb Space Telescope (JWST) als onderdeel van het JWST FRESCO-programma. Het doel van het programma was om systematisch een complete steekproef van emissielijnstelsels (ELG's) binnen de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis te analyseren. ELG's vertonen sterke emissielijnen in hun spectra (een spectrum is het bereik van verschillende golflengten van het uitgezonden licht). Deze emissielijnen verschijnen als heldere lijnen op specifieke golflengten en steken af tegen de donkere achtergrond van het spectrum. Dankzij de aanwezigheid van emissielijnen kon het team de afstanden tot de sterrenstelsels in de steekproef nauwkeurig bepalen. Dankzij de nauwkeurige kennis van de afstanden en de sterkte van de emissielijnen konden de onderzoekers op hun beurt betrouwbaar de hoeveelheid sterren in de sterrenstelsels meten. Drie stelsels vielen op door hun grote stellaire inhoud. “Het vinden van drie van zulke grote sterrenstelsels in het monster is een boeiende puzzel”, zegt professor Wuyts, co-auteur van de Nature-studie en Hiroko Sherwin-leerstoel in Extragalactische Astronomie aan de afdeling Natuurkunde van Bath. “Veel processen in de evolutie van melkwegstelsels hebben de neiging om een snelheidsbeperkende stap te introduceren in hoe efficiënt gas kan worden omgezet in sterren, maar op de een of andere manier lijken deze Rode Monsters de meeste van deze hindernissen snel te hebben omzeild.”
Snel groeiende rode monsters
Tot nu toe werd aangenomen dat alle sterrenstelsels zich geleidelijk vormden binnen grote halo's van donkere materie. Halo's van donkere materie vangen gas (atomen en moleculen) in gravitatiegebonden structuren. Doorgaans wordt maximaal 20% van dit gas in sterrenstelsels omgezet in sterren. De nieuwe bevindingen stellen deze visie echter op losse schroeven en laten zien dat massieve sterrenstelsels in het vroege heelal mogelijk veel sneller en efficiënter zijn gegroeid dan eerder werd gedacht. De details in het FRESCO-onderzoek zijn vastgelegd door middel van 'spectroscopie zonder spleet' met de Nabije Infraroodcamera van JWST, een meetmethode waarmee licht kan worden opgevangen en ontrafeld in de samenstellende golflengten van alle objecten in een beeldveld. Hierdoor is het een uitstekende methode om nauwkeurige afstanden en fysieke kenmerken van sterrenstelsels te meten. De ongeëvenaarde mogelijkheden van JWST hebben astronomen in staat gesteld om systematisch sterrenstelsels in het zeer verre en vroege heelal te bestuderen, waardoor ze inzicht hebben gekregen in massieve en door stof verduisterde sterrenstelsels. Door sterrenstelsels in de FRESCO-survey te analyseren, ontdekten wetenschappers dat de meeste stelsels in bestaande modellen passen. Ze vonden echter ook drie verrassend massieve sterrenstelsels, met een stermassa die vergelijkbaar is met die van de huidige Melkweg.
Deze sterrenstelsels vormen bijna twee keer zo efficiënt sterren als stelsels met een lagere massa uit hetzelfde tijdperk of gewone stelsels op latere momenten in de kosmische geschiedenis. Vanwege hun hoge stofgehalte, waardoor deze drie massieve sterrenstelsels er op JWST-beelden duidelijk rood uitzien, zijn ze de drie Rode Monsters genoemd. Dr Mengyuan Xiao, hoofdauteur van het nieuwe onderzoek en postdoctoraal onderzoeker aan UNIGE, zei: “Onze bevindingen geven ons begrip van de vorming van sterrenstelsels in het vroege heelal een nieuwe vorm.” Dr. David Elbaz, onderzoeksdirecteur bij CEA Paris-Saclay en medewerker aan dit project, zei: “De massieve eigenschappen van deze Rode Monsters waren nauwelijks vastgesteld vóór JWST, omdat ze optisch onzichtbaar zijn door stofverzwakking.”
Een mijlpaal in waarnemingen van sterrenstelsels
Pascal Oesch, universitair hoofddocent aan de afdeling Sterrenkunde van de UNIGE en hoofdonderzoeker van het observatieprogramma, zei: “Onze bevindingen benadrukken de opmerkelijke kracht van NIRCam/grism spectroscopie. Het instrument aan boord van de ruimtetelescoop stelt ons in staat om de groei van sterrenstelsels in de loop van de tijd te identificeren en te bestuderen, en om een duidelijker beeld te krijgen van hoe stellaire massa zich ophoopt in de loop van de kosmische geschiedenis.” Hoewel deze bevindingen niet in strijd zijn met het standaard kosmologische model, roepen ze wel vragen op voor theorieën over de vorming van sterrenstelsels, met name over 'te veel, te massieve' sterrenstelsels in het vroege heelal. De huidige modellen moeten misschien rekening houden met unieke processen waardoor bepaalde vroege massieve sterrenstelsels zo'n efficiënte stervorming konden bereiken en zich dus heel vroeg in het heelal heel snel konden vormen. Toekomstige waarnemingen met JWST en de ALMA-telescoop (Atacama Large Millimeter Array) zullen meer inzicht geven in deze ultramassieve rode monsters en grotere monsters van dergelijke bronnen blootleggen.
Dr. Xiao zei: “Deze resultaten geven aan dat sterrenstelsels in het vroege heelal sterren konden vormen met een onverwachte efficiëntie. Naarmate we deze sterrenstelsels grondiger bestuderen, zullen ze nieuwe inzichten bieden in de omstandigheden die de vroegste tijdperken van het heelal hebben gevormd. De Rode Monsters zijn nog maar het begin van een nieuw tijdperk in onze verkenning van het vroege heelal.” Professor Wuyts voegde daaraan toe: “Dat is zo geweldig aan sterrenkunde: we worden voortdurend verrast door nieuwe ontdekkingen. Al in de eerste paar jaar van zijn bestaan heeft JWST ons een aantal onverwachte dingen voor de voeten geworpen. Op meer dan één manier heeft het ons laten zien dat sommige sterrenstelsels snel volwassen worden tijdens de eerste hoofdstukken van de kosmische geschiedenis.”
Bron: University of Bath
