Ongeveer 200 tot 400 miljoen jaar nadat de oerknal het heelal heeft geschapen, de eerste sterren begonnen te verschijnen. Normaal gesproken zouden sterren die op zo'n grote afstand in ruimte en tijd liggen zelfs voor NASA's nieuwe James Webb-ruimtetelescoop onbereikbaar zijn. gepland voor lancering in 2020.

Echter, astronomen van de Arizona State University leiden een team van wetenschappers die voorstellen dat met een goede timing en een beetje geluk, de Webb Space Telescope zal in staat zijn om licht te vangen van de eerste sterren die in het heelal werden geboren.

"Het zoeken naar de eerste sterren is al lang een doel van de astronomie, " zei Rogier Windhorst, Regents' hoogleraar astrofysica in ASU's School of Earth and Space Exploration. "Ze zullen ons vertellen over de werkelijke eigenschappen van het zeer vroege heelal, dingen die we tot nu toe alleen op onze computers hebben gemodelleerd."

Medewerker van Windhorst, Frank Timmes, hoogleraar astrofysica aan de School of Earth and Space Exploration, voegt toe, "We willen vragen beantwoorden over het vroege heelal, zoals:waren binaire sterren gebruikelijk of waren de meeste sterren enkelvoudig? Hoeveel zware chemische elementen werden geproduceerd, gekookt door de allereerste sterren, en hoe zijn die eerste sterren eigenlijk ontstaan?

Duho Kim, een afgestudeerde student van de School of Earth and Space Exploration van Windhorst, werkte aan het modelleren van sterpopulaties en stof in sterrenstelsels.

De andere medewerkers op het papier zijn J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne, Australië), Mehmet Alpaslan (Universiteit van New York), Stephen K. Andrews (Universiteit van West-Australië), Daniel Coe (Space Telescope Science Institute), Jose M. Diego (Instituto de Fisica de Cantabrië, Spanje), Mark Dijkstra (Universiteit van Oslo), en Simon P. Driver en Patrick L. Kelly (beiden University of California, Berkeley).

De krant van het team, gepubliceerd in de Astrophysical Journal Supplement , beschrijft hoe de uitdagende observaties kunnen worden gedaan.

De vergrotende lens van de zwaartekracht

De eerste essentiële stap in de taak is afhankelijk van de infraroodgevoeligheid van de Webb-telescoop. Terwijl de eerste sterren groot waren, heet en uitgestraald ver-ultraviolet licht, ze liggen zo ver weg dat de uitdijing van het heelal hun stralingspiek heeft verschoven van de ultraviolette naar veel langere infrarode golflengten. Zo valt hun sterrenlicht in de infrarooddetectoren van de Webb Telescope als een honkbal die landt in een veldhandschoen.

De tweede essentiële stap is om de gecombineerde zwaartekracht van een tussenliggende cluster van sterrenstelsels als lens te gebruiken om het licht van de eerste generatie sterren te focussen en te vergroten. Typische zwaartekrachtlenzen kunnen licht 10 tot 20 keer vergroten, maar dat is niet genoeg om een ​​ster van de eerste generatie zichtbaar te maken voor de Webb-telescoop. voor Webb, het licht van de kandidaat-ster moet met een factor 10 worden versterkt, 000 of meer.

Om zoveel vergroting te krijgen, zijn "bijtende transits, " speciale uitlijningen waarbij het licht van een ster gedurende een paar weken enorm wordt vergroot terwijl de melkwegcluster langs de hemel tussen de aarde en de ster drijft.

Bijtende transits treden op omdat een cluster van sterrenstelsels die als een lens werken, geen enkel beeld produceert zoals een leesloep. Het effect lijkt meer op kijken door een klonterige glasplaat, met nulzones en hotspots. Een bijtende is waar de vergroting het grootst is, en omdat de sterrenstelsels in de lenscluster zich erin uitspreiden, ze produceren meerdere vergrotende bijtende stoffen die een patroon in de ruimte volgen als een spinnenweb.

De kansen spelen

Hoe waarschijnlijk is een dergelijke afstemming? Klein maar niet nul, zeggen de astronomen, en ze merken op dat het spinnenweb van bijtende stoffen helpt door een net uit te spreiden. Bovendien is elke bijtende stof asymmetrisch, het produceren van een scherpe stijging tot volledige vergroting als een ster van één kant nadert, maar een veel langzamere stijging als het van de andere kant nadert.

"Afhankelijk van welke kant van de bijtende stof het nadert, een eerste ster zou in de loop van uren - of enkele maanden, helderder worden, " legde Windhorst uit. "Vervolgens, na het bereiken van een piekhelderheid gedurende enkele weken, het zou weer vervagen, langzaam of snel, terwijl het zich van de bijtende lijn verwijdert."

Een belangrijk kenmerk van de eerste sterren is dat ze gevormd zijn uit de mix van waterstof en helium in het vroege heelal zonder zwaardere chemische elementen zoals koolstof, zuurstof, ijzer, of goud. Razend heet en schitterend blauw-wit, de eerste sterren tonen een eenvoudig spectrum uit een leerboek zoals een vingerafdruk, zoals berekend door het ASU-team met behulp van het open software-instrument Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.

Een ander object dat mogelijk met hetzelfde vergrotingseffect zichtbaar is, is een accretieschijf rond de eerste zwarte gaten die zich na de oerknal hebben gevormd. Zwarte gaten zouden het uiteindelijke evolutionaire resultaat zijn van de meest massieve eerste sterren. En als zulke sterren zich in een tweesterren (binair) systeem bevonden, de zwaardere ster, na instorten tot een zwart gat, zou gas van zijn metgezel stelen om een ​​platte schijf te vormen die in het zwarte gat voedt.

Een accretieschijf zou een ander spectrum vertonen dan een eerste ster als hij door een bijtende, het produceren van verbeterde helderheid bij kortere golflengten van de hete, binnenste deel van de schijf in vergelijking met de koudere buitenste zones ervan. De stijging en daling van de helderheid zou ook langer duren, hoewel dit effect waarschijnlijk moeilijker te detecteren zou zijn.

Accretieschijven zullen naar verwachting talrijker zijn omdat solitaire eerste sterren, enorm en heet zijn, racen door hun leven in slechts een paar miljoen jaar voordat ze exploderen als supernova's. Echter, theorie suggereert dat een accretieschijf in een zwart-gatsysteem minstens tien keer langer zou kunnen schijnen dan een eenzame eerste ster. Terwijl al het andere gelijk is, dit zou de kans vergroten dat accretieschijven worden gedetecteerd.

In dit stadium is het giswerk, maar het team berekent dat een observatieprogramma dat zich een paar keer per jaar op verschillende clusters van sterrenstelsels richt gedurende de levensduur van de Webb-telescoop, een van een lens voorziene eerste ster of een accretieschijf voor een zwart gat zou kunnen vinden. De onderzoekers hebben enkele doelgroepen geselecteerd, inclusief de Hubble Frontier Fields-clusters en het cluster dat bekend staat als "El Gordo."

"We moeten gewoon geluk hebben en deze clusters lang genoeg observeren, "Zei Windhorst. "De astronomische gemeenschap zou deze clusters tijdens het leven van Webb moeten blijven volgen."

Op voorbij Webb

Wat een punt opwerpt. Hoewel de Webb Space Telescope een technisch wonder zal zijn, het zal geen lange operationele levensduur hebben zoals de Hubble-ruimtetelescoop. Gelanceerd in 1990, de Hubble-telescoop bevindt zich in een lage baan om de aarde en is vijf keer door astronauten onderhouden.

De Webb-ruimtetelescoop, echter, zal worden geplaatst op een zwaartekrachtstabiel punt in de interplanetaire ruimte, 1,5 miljoen kilometer (930, 000 mijl) van de aarde. Het is ontworpen om 5 tot 10 jaar te werken, die zich met zorg zou kunnen uitstrekken tot ongeveer 15 jaar. Maar er is geen voorziening voor onderhoud door astronauten.

Overeenkomstig, Windhorst merkt op dat ASU is toegetreden tot de Giant Magellan Telescope Organization. Dit is een consortium van universiteiten en onderzoeksinstellingen dat zijn gelijknamige telescoop gaat bouwen op een hoge en droge bergtop bij het Las Campanas Observatorium in Chili. De site is ideaal voor infraroodobservatie.

Na voltooiing in 2026, de GMT zal een lichtopvangoppervlak hebben met een diameter van 24,5 meter (80 voet), opgebouwd uit zeven individuele spiegels. (De hoofdspiegel van de Webb Space Telescope heeft 18 secties en een totale diameter van 6,5 meter, of 21 voet.) De GMT-spiegels zullen naar verwachting een oplossend vermogen bereiken dat 10 keer groter is dan dat van de Hubble-ruimtetelescoop in het infrarode gebied van het spectrum.

Er zal een periode zijn waarin de Webb Telescope en de Giant Magellan Telescope beide in bedrijf zullen zijn.

"We zijn van plan om met de twee instrumenten waarnemingen te doen van sterren van de eerste generatie en andere objecten. " zei Windhorst. "Hierdoor kunnen we de resultaten van beide kalibreren."

De overlap tussen de twee telescopen is op een andere manier belangrijk, hij zei.

"De operationele levensduur van de GMT zal nog vele decennia in de toekomst voortduren. Dit in tegenstelling tot de Webb-telescoop, die uiteindelijk zonder brandstof voor de boegschroef zal komen om zijn baan in de ruimte te behouden."

Wanneer dat gebeurt, het contact met de Webb Telescope zal verloren gaan en zijn missie zal eindigen.

zei Windhorst, "Op een of andere manier, we zijn ervan overtuigd dat we de eerste sterren in het universum kunnen detecteren."