In het Amerikaanse Wilde Westen was het middaguur een tijd voor duels en krachtmetingen. Als het gaat om de geschiedenis van het universum, bevatte de kosmische middag vuurwerk van een ander soort. Zo'n 2 tot 3 miljard jaar na de oerknal maakten de meeste sterrenstelsels een groeispurt door en vormden ze sterren met een snelheid die honderden keren hoger ligt dan we vandaag in ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, zien. Wanneer het in mei 2027 wordt gelanceerd, belooft NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope nieuwe inzichten te brengen in de hoogtijdagen van stervorming.

De kosmische middag is een belangrijk moment in de geschiedenis van het universum omdat het heeft gevormd tot hoe sterrenstelsels er nu uitzien. Maar veel vragen blijven onbeantwoord. Waarom bereikte de stervorming een piek en nam vervolgens af? Waarom stopten sommige sterrenstelsels plotseling met het vormen van sterren, terwijl andere geleidelijk aan vervaagden? Hoe belangrijk waren lokale invloeden zoals het aantal galactische buren bij het vormgeven van deze evolutie?

Om deze vragen te beantwoorden, hebben astronomen een overvloedige hoeveelheid sterrenstelsels uit die periode nodig om te bestuderen. De kracht van Roman ligt in zijn vermogen om duizenden interessante objecten in één oogopslag vast te leggen. Met zo'n groot onderzoek hoeven wetenschappers niet van tevoren hun favoriete doelen te kiezen, wat kan leiden tot onbedoelde vooroordelen.

"Met een gezichtsveld dat 100 keer breder is dan de Hubble-ruimtetelescoop, kan Roman het astronomische landschap veranderen door zo efficiënt te zijn", zegt Kate Whitaker, assistent-professor astronomie aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst. Whitakers onderzoek richt zich op het bestuderen van de regulatie van stervorming en -uitdoving in massieve sterrenstelsels in het vroege heelal.

Het brede gezichtsveld van Roman stelt astronomen ook in staat om individuele sterrenstelsels in een context te plaatsen door te zien hoe hun groeispurten en daaropvolgende vertragingen variëren afhankelijk van hun locatie binnen het kosmische "web" - de grootschalige structuur van het universum.

"Je neemt één afbeelding en je krijgt alles. We zullen zien wat en waar de interessante objecten zijn", zegt Casey Papovich, hoogleraar astronomie aan de Texas A&M University in College Station, Texas. Papovich's onderzoek omvat het kwantificeren van de groei en assemblage van stellaire massa in sterrenstelsels in het vroege heelal.

Verder gaan dan beeldspraak

Hoewel afbeeldingen astronomen kunnen helpen bij het opsporen van interessante sterrenstelsels, kan veel meer informatie worden verzameld door het licht van een sterrenstelsel in een spectrum te verspreiden. Papovich heeft samen met Vicente (Vince) Estrada-Carpenter van de St. Mary's University in San Antonio, Texas, en hun collega's een techniek ontwikkeld om het licht van alle sterren in een gecombineerd sterrenstelsel te extraheren.

Door het spectrum van een melkwegstelsel te onderzoeken, kun je meer te weten komen over de leeftijd van de sterren, de geschiedenis van de stervorming, hoeveel zware chemische elementen het bevat en meer. Door dit voor een groot aantal vroege sterrenstelsels te doen, kunnen astronomen leren over de processen die deze periode van snelle groei hebben aangestuurd en uiteindelijk hebben beëindigd.

De kracht van Roman kan nog verder worden vergroot door verre sterrenstelsels te observeren waarvan het licht is vervormd door een fenomeen dat zwaartekrachtlens wordt genoemd. De zwaartekracht van een tussenliggende melkwegcluster kan het licht van een verder weg gelegen melkwegstelsel vergroten en helderder maken, waardoor astronomen het achtergrondmelkwegstelsel in meer detail kunnen bestuderen dan anders mogelijk zou zijn.

Whitaker gebruikt deze techniek al met Hubble om de kernen van jonge sterrenstelsels versus hun buitenwijken te bestuderen. Dit werk probeert te bepalen of stervorming van buiten naar binnen of van binnen naar buiten wordt afgesloten, dat wil zeggen, van de buitenwijken van de melkweg naar het centrum of vice versa.

"Het uitdoven van sterrenstelsels - een plotseling einde aan stervorming - kan een snel proces zijn op kosmologische tijdschalen. Als gevolg hiervan is het moeilijk om er een op heterdaad te betrappen omdat ze zo zeldzaam zijn", zei Whitaker. "Roman zal ons helpen die zeldzame voorbeelden te vinden."

Terwijl Roman's ruimtebeeld uitstekende scherpte en stabiliteit zal bieden, zullen observatoria op de grond ook een rol gaan spelen bij het bestuderen van de kosmische middag. De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array kan bijvoorbeeld het gas- en stofgehalte van verre sterrenstelsels meten. En toekomstige telescopen van 30-meterklasse zullen in staat zijn om prachtige details in melkwegspectra te meten vanwege hun vermogen om veel licht te verzamelen.

"Romeinse en op de grond gestationeerde observatoria zullen elkaar aanvullen. Roman zal in zijn eentje en efficiënt de meest interessante sterrenstelsels in grote gezichtsvelden identificeren en karakteriseren. We kunnen dan teruggaan met telescopen op de grond om ze in meer detail te bestuderen." verklaarde Papovich. + Verder verkennen

Superzware zwarte gaten in stervende sterrenstelsels gedetecteerd in vroeg heelal