NASA's Spitzer Space Telescope heeft onthuld dat enkele van de vroegste sterrenstelsels van het universum helderder waren dan verwacht. Het overtollige licht is een bijproduct van de sterrenstelsels die ongelooflijk grote hoeveelheden ioniserende straling afgeven. De bevinding biedt aanwijzingen voor de oorzaak van het tijdperk van reïonisatie, een grote kosmische gebeurtenis die het universum transformeerde van grotendeels ondoorzichtig naar het schitterende sterrenlandschap dat we tegenwoordig zien.

In een nieuwe studie, onderzoekers rapporteren over waarnemingen van enkele van de eerste sterrenstelsels die zich in het universum hebben gevormd, minder dan 1 miljard jaar na de oerknal (of iets meer dan 13 miljard jaar geleden). De gegevens laten zien dat in een paar specifieke golflengten van infrarood licht, de sterrenstelsels zijn aanzienlijk helderder dan wetenschappers hadden verwacht. De studie is de eerste die dit fenomeen bevestigt voor een grote steekproef van sterrenstelsels uit deze periode, waaruit blijkt dat dit geen speciale gevallen van overmatige helderheid waren, maar dat zelfs de gemiddelde sterrenstelsels die toen aanwezig waren veel helderder waren in deze golflengten dan de sterrenstelsels die we tegenwoordig zien.

Niemand weet zeker wanneer de eerste sterren in ons heelal tot leven kwamen. Maar er zijn aanwijzingen dat tussen ongeveer 100 miljoen en 200 miljoen jaar na de oerknal, het universum was grotendeels gevuld met neutraal waterstofgas dat misschien net was begonnen samen te smelten tot sterren, die toen de eerste sterrenstelsels begonnen te vormen. Ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal, het heelal was een sprankelend firmament geworden. Er was nog iets veranderd, ook:elektronen van het alomtegenwoordige neutrale waterstofgas waren weggestript in een proces dat bekend staat als ionisatie. Het tijdperk van reïonisatie - de overgang van een universum vol neutrale waterstof naar een universum gevuld met geïoniseerde waterstof - is goed gedocumenteerd.

Vóór deze wereldomvattende transformatie, langgolvige vormen van licht, zoals radiogolven en zichtbaar licht, reisde min of meer onbelast het heelal door. Maar kortere golflengten van licht, inclusief ultraviolet licht, Röntgenstraling en gammastraling - werden onderbroken door neutrale waterstofatomen. Deze botsingen zouden de neutrale waterstofatomen van hun elektronen ontdoen, ze ioniseren.

Maar wat zou mogelijk genoeg ioniserende straling hebben geproduceerd om alle waterstof in het universum te beïnvloeden? Waren het individuele sterren? Gigantische sterrenstelsels? Als een van beide de boosdoener was, die vroege kosmische kolonisten zouden anders zijn geweest dan de meeste moderne sterren en sterrenstelsels, die doorgaans geen grote hoeveelheden ioniserende straling afgeven. Nogmaals, misschien heeft iets anders de gebeurtenis volledig veroorzaakt, zoals quasars - sterrenstelsels met ongelooflijk heldere centra die worden aangedreven door enorme hoeveelheden materiaal in een baan om superzware zwarte gaten.

"Het is een van de grootste open vragen in de observationele kosmologie, " zei Stephane De Barros, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Genève in Zwitserland. "We weten dat het is gebeurd, maar waardoor kwam het? Deze nieuwe bevindingen kunnen een grote aanwijzing zijn."

Op zoek naar licht

Om terug te kijken in de tijd naar het tijdperk net voordat het tijdperk van de reïonisatie eindigde, Spitzer staarde elk meer dan 200 uur naar twee delen van de lucht, waardoor de ruimtetelescoop licht kon verzamelen dat meer dan 13 miljard jaar had gereisd om ons te bereiken.

Zoals enkele van de langste wetenschappelijke waarnemingen die Spitzer ooit heeft gedaan, ze maakten deel uit van een observatiecampagne genaamd GREATS, afkorting van GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury van Spitzer. GOEDEREN (zelf een acroniem:Great Observatories Origins Deep Survey) is een andere campagne die de eerste waarnemingen van enkele GREATS-doelen heeft uitgevoerd. De studie, gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , gebruikte ook archiefgegevens van NASA's Hubble Space Telescope.

Met behulp van deze ultradiepe observaties door Spitzer, het team van astronomen observeerde 135 verre sterrenstelsels en ontdekte dat ze allemaal bijzonder helder waren in twee specifieke golflengten van infrarood licht dat wordt geproduceerd door ioniserende straling die in wisselwerking staat met waterstof- en zuurstofgassen in de sterrenstelsels. Dit impliceert dat deze sterrenstelsels werden gedomineerd door jonge, massieve sterren die voornamelijk uit waterstof en helium bestaan. Ze bevatten zeer kleine hoeveelheden "zware" elementen (zoals stikstof, koolstof en zuurstof) vergeleken met sterren in gemiddelde moderne sterrenstelsels.

Deze sterren waren niet de eerste sterren die in het universum werden gevormd (die zouden alleen uit waterstof en helium zijn samengesteld), maar ze waren nog steeds leden van een zeer vroege generatie sterren. Het tijdperk van reïonisatie was niet een onmiddellijke gebeurtenis, dus hoewel de nieuwe resultaten niet voldoende zijn om het boek over deze kosmische gebeurtenis te sluiten, ze bieden wel nieuwe details over hoe het universum zich in die tijd ontwikkelde en hoe de overgang verliep.

"We hadden niet verwacht dat Spitzer, met een spiegel niet groter dan een hoelahoep, sterrenstelsels zo dicht bij het begin van de tijd zou kunnen zien, " zei Michael Werner, Spitzer's projectwetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. "Maar de natuur zit vol verrassingen, en de onverwachte helderheid van deze vroege sterrenstelsels, samen met de uitstekende prestaties van Spitzer, plaatst ze binnen het bereik van ons kleine maar krachtige observatorium."

NASA's James Webb-ruimtetelescoop, gepland voor lancering in 2021, zal het heelal bestuderen in veel van dezelfde golflengten die Spitzer heeft waargenomen. Maar waar de hoofdspiegel van Spitzer slechts 85 centimeter (33,4 inch) in diameter is, Webb's is 6,5 meter (21 voet) - ongeveer 7,5 keer groter - waardoor Webb deze sterrenstelsels veel gedetailleerder kan bestuderen. In feite, Webb zal proberen het licht van de eerste sterren en sterrenstelsels in het heelal te detecteren. De nieuwe studie toont aan dat vanwege hun helderheid in die infrarode golflengten, de sterrenstelsels die door Spitzer zijn waargenomen, zullen voor Webb gemakkelijker te bestuderen zijn dan eerder werd gedacht.

"Deze resultaten van Spitzer zijn zeker een volgende stap in het oplossen van het mysterie van kosmische reïonisatie, " zei Pascal Oesch, een assistent-professor aan de Universiteit van Genève en een co-auteur van de studie. "We weten nu dat de fysieke omstandigheden in deze vroege sterrenstelsels heel anders waren dan in typische sterrenstelsels van vandaag. Het zal de taak van de James Webb Space Telescope zijn om de gedetailleerde redenen waarom te achterhalen."