Astronomen hebben, via waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en ESO’s Very Large Telescope (VLT), vastgesteld dat de stervorming in het verre sterrenstelsel MACS1149-JD1 onverwacht vroeg is begonnen: slechts 250 miljoen jaar na de oerknal. De ontdekking behelst ook de verste detectie van zuurstof die ooit is gedaan en het verste sterrenstelsel dat ooit met ALMA of de VLT is waargenomen. De resultaten verschijnen op 17 mei 2018 in het tijdschrift Nature.
Een internationaal team van astronomen heeft ALMA gebruikt om een ver sterrenstelsel te onderzoeken dat MACS1149-JD1 wordt genoemd. Daarbij werd een zeer zwakke gloed ontdekt, afkomstig van geïoniseerde zuurstof in het stelsel. Tegen de tijd dat dit infrarode licht door ALMA werd gedetecteerd, was de golflengte ervan ten gevolge van de uitdijing van het heelal met meer dan een factor tien uitgerekt. Daaruit leidde het team af dat de gloed 13,3 miljard jaar geleden, oftewel 500 miljoen jaar na de oerknal, is uitgezonden. Daarmee is het de verste zuurstof die ooit met een telescoop is gedetecteerd [1]. De aanwezigheid van zuurstof wijst er sterk op dat dit sterrenstelsel nog eerdere generaties van sterren heeft gekend. ‘Ik was verrukt om het signaal van de verre zuurstof in de ALMA-gegevens te zien’, zegt Takuya Hashimoto, hoofdauteur van het nieuwe artikel en onderzoeker aan zowel de Osaka Sangyo Universiteit als het National Astronomical Observatory of Japan. ‘Deze detectie duwt de grens van het waarneembare heelal naar achteren.’
Naast de zuurstofgloed die door ALMA werd opgepikt, werd door ESO’s Very Large Telescope (VLT) een zwakker signaal van waterstof gedetecteerd. De afstand tot het sterrenstelsel zoals die uit deze waarneming volgde, is in overeenstemming met de afstand op basis van de zuurstofdetectie. Dit maakt MACS1149-JD1 tot het verste sterrenstelsel waarvan de afstand nauwkeurig bekend is en het verste sterrenstelsel dat ooit met ALMA of de VLT is waargenomen. ‘Dit sterrenstelsel wordt gezien in een tijd dat het heelal nog maar 500 miljoen jaar oud was, en heeft desondanks al een populatie van volwassen sterren’, legt Nicolas Laporte, onderzoeker aan het University College London (UCL) in het Verenigd Koninkrijk en tweede auteur van het nieuwe artikel, uit. ‘Daarom kunnen we dit sterrenstelsel gebruiken om een vroegere, volledige onbekende periode in de kosmische geschiedenis aan te boren.’
Tot een hele tijd na de oerknal was er geen zuurstof in het heelal. Dat element is pas gevormd bij de fusieprocessen zoals die in de eerste sterren plaatsvonden en kwam vrij toen deze sterren op explosieve wijze stierven. De detectie van zuurstof in MACS1149-JD1 geeft aan dat deze eerdere generaties van sterren slechts 500 miljoen jaar na het ontstaan van het heelal al gevormd waren en hun zuurstof hadden uitgestoten. Maar wanneer vond deze eerdere stervorming plaats? Om dit te achterhalen, reconstrueerde het team de vroege geschiedenis van MACS1149-JD1 met behulp van infraroodgegevens die met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA en de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA zijn verzameld. Daarbij ontdekten de astronomen dat de waargenomen helderheid van het sterrenstelsel goed wordt verklaard door een model waarbij de stervorming slechts 250 miljoen jaar na het ontstaan van het heelal is begonnen [2].
De volwassenheid van de sterren die in MACS1149-JD1 te zien zijn werpt de vraag op wanneer de allereerste sterrenstelsels vanuit de totale duisternis opdoemden – een tijdperk dat astronomen aanduiden met de romantische term ‘kosmische dageraad’. Door de leeftijd van MACS1149-JD1 vast te stellen, heeft het team in feite aangetoond dat er vóór de stelsels die we nu rechtstreeks kunnen detecteren ook al sterrenstelsels bestonden. Richard Ellis, hoofdonderzoeker aan de UCL en medeauteur van het onderzoeksartikel, concludeert: ‘Bepalen wanneer de kosmische dageraad heeft plaatsgevonde is zo ongeveer de heilige graal van de kosmologie en de vorming van sterrenstelsels. Met deze nieuwe waarnemingen van MACS1149-JD1 is de directe waarneming van de geboorte van het sterlicht een stapje dichterbij gekomen! Omdat wij allemaal uit bewerkte stermaterie bestaan, zijn we daarmee ook dichter bij onze eigen oorsprong gekomen.’
Noten
[1] ALMA heeft het record van de detectie van de verste zuurstof al diverse keren aangescherpt. In 2016 gebruikten Akio Inoue van de Osaka Sangyo Universiteit en zijn collega’s ALMA voor de detectie van een zuurstofsignaal dat 13,1 miljard jaar geleden was uitgezonden. Enkele maanden later gebruikte Nicolas Laporte van het University College London ALMA om zuurstof van 13,2 miljard jaar geleden te detecteren. Nu hebben de beide teams hun krachten verenigd en een nieuw record gevestigd dat overeenkomt met een roodverschuiving van 9,1.
[2] Dit komt overeen met een roodverschuiving van ongeveer 15.
