Nieuwe resultaten van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA/ESA suggereren dat de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels in het vroege heelal eerder plaatsvond dan eerder werd gedacht. Een Europees team van astronomen heeft geen bewijs gevonden voor de eerste generatie sterren, bekend als Populatie III-sterren, al in de tijd dat het heelal slechts 500 miljoen jaar oud was.

De verkenning van de allereerste sterrenstelsels blijft een grote uitdaging in de moderne astronomie. We weten niet wanneer of hoe de eerste sterren en sterrenstelsels in het heelal zijn ontstaan. Deze vragen kunnen worden beantwoord met de Hubble-ruimtetelescoop door middel van diepe beeldwaarnemingen. Met Hubble kunnen astronomen het heelal terugkijken tot binnen 500 miljoen jaar na de oerknal.

Een team van Europese onderzoekers, onder leiding van Rachana Bhatawdekar van de European Space Agency, uiteengezet om de eerste generatie sterren in het vroege heelal te bestuderen. Bekend als Populatie III-sterren, deze sterren zijn gesmeed uit het oermateriaal dat uit de oerknal is voortgekomen. Populatie III-sterren moeten uitsluitend van waterstof zijn gemaakt, helium en lithium, de enige elementen die bestonden voordat processen in de kernen van deze sterren zwaardere elementen konden creëren, zoals zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer.

Bhatawdekar en haar team onderzochten het vroege heelal van ongeveer 500 miljoen tot 1 miljard jaar na de oerknal door de cluster MACSJ0416 en zijn parallelle veld met de Hubble-ruimtetelescoop te bestuderen (met ondersteunende gegevens van NASA's Spitzer-ruimtetelescoop en de op de grond gebaseerde Very Large Telescoop van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht). "We hebben geen bewijs gevonden voor deze populatie III-sterren van de eerste generatie in dit kosmische tijdsinterval", zei Bhatawdekar over de nieuwe resultaten.

Het resultaat werd bereikt met behulp van de Wide Field Camera 3 en Advanced Camera for Surveys van de Hubble-ruimtetelescoop, als onderdeel van het Hubble Frontier Fields-programma. Dit programma (waarvan van 2012 tot 2017 zes verre clusters van melkwegstelsels werden waargenomen) produceerde de diepste waarnemingen die ooit zijn gedaan van clusters van melkwegstelsels en de melkwegstelsels erachter, die werden vergroot door het zwaartekrachtlenseffect, waardoor sterrenstelsels worden onthuld die 10 tot 100 keer zwakker zijn dan eerder waargenomen. De massa's van clusters van voorgrondstelsels zijn groot genoeg om het licht van de verder weg gelegen objecten erachter te buigen en te vergroten. Hierdoor kan Hubble deze kosmische vergrootglazen gebruiken om objecten te bestuderen die buiten zijn nominale operationele mogelijkheden liggen.

Bhatawdekar en haar team ontwikkelden een nieuwe techniek die het licht verwijdert van de heldere voorgrondstelsels die deze zwaartekrachtlenzen vormen. Hierdoor konden ze sterrenstelsels ontdekken met een lagere massa dan ooit eerder waargenomen met Hubble, op een afstand die overeenkomt met toen het heelal minder dan een miljard jaar oud was. Op dit punt in de kosmische tijd, het gebrek aan bewijs voor exotische stellaire populaties en de identificatie van veel kleine sterrenstelsels ondersteunt de suggestie dat deze sterrenstelsels de meest waarschijnlijke kandidaten zijn voor de reïonisatie van het heelal. In deze periode van re-ionisatie in het vroege heelal werd het neutrale intergalactische medium geïoniseerd door de eerste sterren en sterrenstelsels.

"Deze resultaten hebben ingrijpende astrofysische gevolgen omdat ze aantonen dat sterrenstelsels veel eerder moeten zijn gevormd dan we dachten, "zei Bhatawdekar. "Dit ondersteunt ook sterk het idee dat kleine/zwakke sterrenstelsels in het vroege heelal verantwoordelijk zijn voor reïonisatie."

Deze resultaten suggereren ook dat de vroegste vorming van sterren en sterrenstelsels veel eerder plaatsvond dan kan worden onderzocht met de Hubble-ruimtetelescoop. Dit laat een spannend gebied van verder onderzoek over voor de komende NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope - om de vroegste sterrenstelsels van het heelal te bestuderen.