Astronomen onder leiding van Eduardo Bañados van het Max Planck Instituut voor Astronomie hebben een gaswolk ontdekt die informatie bevat over een vroege fase van melkwegstelsel en stervorming, slechts 850 miljoen jaar na de oerknal. De wolk werd toevallig gevonden tijdens observaties van een verre quasar, en het heeft de eigenschappen die astronomen verwachten van de voorlopers van moderne dwergstelsels. Als het gaat om relatieve overvloed, de chemie van de cloud is verrassend modern, waaruit blijkt dat de eerste sterren in het heelal zeer snel na de oerknal moeten zijn gevormd. De resultaten zijn gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Als astronomen naar verre objecten kijken, ze kijken noodzakelijkerwijs terug in de tijd. De gaswolk ontdekt door Bañados et al. is zo ver weg dat zijn licht er bijna 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken; omgekeerd, het licht dat ons nu bereikt, vertelt ons hoe de gaswolk er bijna 13 miljard jaar geleden uitzag, niet meer dan ongeveer 850 miljoen jaar na de oerknal. Voor astronomen, dit is een buitengewoon interessant tijdperk. Binnen de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal, de eerste sterren en sterrenstelsels gevormd, maar de details van die complexe evolutie zijn nog grotendeels onbekend.

Deze zeer verre gaswolk was een toevallige ontdekking. Banado's, vervolgens bij het Carnegie Institute for Science, en zijn collega's volgden verschillende quasars op uit een onderzoek van 15 van de meest afgelegen quasars die bekend zijn (z³6.5), die was opgesteld door Chiara Mazzucchelli als onderdeel van haar Ph.D. onderzoek aan het Max Planck Instituut voor Sterrenkunde. Aanvankelijk, de onderzoekers merkten zojuist op dat de quasar P183+05 een nogal ongebruikelijk spectrum had. Maar toen Bañados een meer gedetailleerd spectrum analyseerde, verkregen met de Magellan Telescopes van het Las Campanas Observatorium in Chili, hij herkende dat er iets anders aan de hand was:de vreemde spectrale kenmerken waren de sporen van een gaswolk die heel dicht bij de verre quasar was - een van de meest verre gaswolken die astronomen tot nu toe hebben kunnen identificeren.

Verlicht door een verre quasar

Quasars zijn de extreem heldere actieve kernen van verre sterrenstelsels. De drijvende kracht achter hun helderheid is het centrale superzware zwarte gat van de melkweg. Materie die rond dat zwarte gat wervelt (voordat het erin valt) warmt op tot temperaturen van honderdduizenden graden, enorme hoeveelheden straling afgeven. Hierdoor kunnen astronomen quasars gebruiken als achtergrondbronnen om waterstof en andere chemische elementen in absorptie te detecteren:als een gaswolk zich direct tussen de waarnemer en een verre quasar bevindt, een deel van het licht van de quasar zal worden geabsorbeerd.

Astronomen kunnen deze absorptie detecteren door het spectrum van de quasar te bestuderen, dat is, de regenboogachtige ontbinding van het quasarlicht in de verschillende golflengtegebieden. Het absorptiepatroon bevat informatie over de chemische samenstelling van de gaswolk, temperatuur, dichtheid en zelfs ongeveer de afstand van de wolk van ons (en van de quasar). Hierachter zit het feit dat elk chemisch element een "vingerafdruk" van spectraallijnen heeft - een gebied met smalle golflengten waarin de atomen van dat element bijzonder goed licht kunnen uitzenden of absorberen. De aanwezigheid van een karakteristieke vingerafdruk onthult de aanwezigheid en overvloed van een specifiek chemisch element.

Niet helemaal de wolk waar ze naar op zoek waren

Uit het spectrum van de gaswolk, de onderzoekers konden meteen de afstand van de wolk zien, en dat ze terugkeken in de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis. Ze vonden ook sporen van verschillende chemische elementen, waaronder koolstof, zuurstof, ijzer, en magnesium. Echter, de hoeveelheid van deze elementen was klein, ongeveer 1/800 keer de overvloed in de atmosfeer van onze zon. Astronomen noemen alle elementen die zwaarder zijn dan helium 'metalen'; deze meting maakt de gaswolk tot een van de meest metaalarme (en verre) systemen in het heelal. Michael Rauch van het Carnegie Institute of Science, wie is co-auteur van de nieuwe studie, zegt:"Nadat we ervan overtuigd waren dat we slechts 850 miljoen jaar na de oerknal naar zulk ongerept gas keken, begonnen we ons af te vragen of dit systeem de chemische handtekeningen van de allereerste generatie sterren nog kon behouden."

Het vinden van deze eerste generatie, zogenaamde "populatie III"-sterren is een van de belangrijkste doelen bij het reconstrueren van de geschiedenis van het universum. In het latere heelal, chemische elementen die zwaarder zijn dan waterstof spelen een belangrijke rol bij het laten instorten van gaswolken tot sterren. Maar die chemische elementen, met name koolstof, worden zelf geproduceerd in sterren, en in supernova-explosies de ruimte in geslingerd. Voor de eerste sterren die chemische bemiddelaars zouden er gewoon niet zijn geweest, omdat direct na de oerknalfase, er waren alleen waterstof- en heliumatomen. Dat is wat de eerste sterren fundamenteel anders maakt dan alle latere sterren.

De analyse toonde aan dat de chemische samenstelling van de wolk niet chemisch primitief was, maar in plaats daarvan waren de relatieve abundanties verrassend vergelijkbaar met de chemische abundanties die werden waargenomen in de intergalactische gaswolken van vandaag. De verhoudingen van de hoeveelheden zwaardere elementen lagen zeer dicht bij de verhoudingen in het moderne universum. Het feit dat deze gaswolk in het zeer vroege heelal al metalen bevat met moderne relatieve chemische abundanties, vormt een belangrijke uitdaging voor de vorming van de eerste generatie sterren.

Zoveel sterren, zo weinig tijd

Deze studie impliceert dat de vorming van de eerste sterren in dit systeem veel eerder moet zijn begonnen:de verwachte chemische opbrengsten van de eerste sterren waren al weggevaagd door de explosies van ten minste nog een generatie sterren. Een bepaalde tijdsdruk komt van supernova's van het type Ia, kosmische explosies die nodig zouden zijn om metalen te produceren met de waargenomen relatieve abundanties. Dergelijke supernova's hebben doorgaans ongeveer 1 miljard jaar nodig om te gebeuren, wat een ernstige beperking oplegt aan alle scenario's van hoe de eerste sterren werden gevormd.

Nu de astronomen deze zeer vroege wolk hebben gevonden, ze zijn systematisch op zoek naar aanvullende voorbeelden. Eduardo Bañados zegt:"Het is opwindend dat we al zo vroeg in de geschiedenis van het universum metalliciteit en chemische abundanties kunnen meten, maar als we de handtekeningen van de eerste sterren willen identificeren, moeten we nog eerder in de kosmische geschiedenis onderzoeken. Ik ben optimistisch dat we nog verder weg gelegen gaswolken zullen vinden, die ons zou kunnen helpen begrijpen hoe de eerste sterren werden geboren."

De hier beschreven resultaten zijn gepubliceerd in Bañados et al., "Een metaalarm gedempt Ly-systeem bij roodverschuiving 6,4, " in de Astrofysisch tijdschrift .