Wetenschap
Gedetailleerde foto's laten zien dat de groei van sterrenstelsels in het vroege heelal veel sneller verliep dan aanvankelijk werd gedacht
Astronomen genieten momenteel van een vruchtbare ontdekkingsperiode, waarbij ze de vele mysteries van het vroege heelal onderzoeken. De succesvolle lancering van de James Webb Space Telescope (JWST), een opvolger van NASA's Hubble Space Telescope, heeft de grens van wat we kunnen zien verlegd.
Waarnemingen beginnen nu de eerste 500 miljoen jaar na de oerknal, toen het universum nog geen 5% van zijn huidige leeftijd had. Voor mensen zou het universum deze keer stevig in het peuterstadium terechtkomen.
Toch zijn de sterrenstelsels die we waarnemen zeker niet infantiel, waarbij nieuwe waarnemingen sterrenstelsels onthullen die massiever en volwassener zijn dan eerder werd verwacht voor zulke vroege tijden, wat ons begrip van de vorming en evolutie van sterrenstelsels helpt herschrijven.
Ons internationale onderzoeksteam heeft onlangs ongekend gedetailleerde waarnemingen gedaan van een van de vroegst bekende sterrenstelsels:Gz9p3, en nu gepubliceerd in Nature Astronomy .
De naam komt van de Glass-samenwerking (de naam van ons internationale onderzoeksteam) en het feit dat het sterrenstelsel een roodverschuiving van z=9,3 heeft, waarbij roodverschuiving één manier is om de afstand tot een object te beschrijven – vandaar G en z9p3.
Nog maar een paar jaar geleden verscheen Gz9p3 als een enkel lichtpuntje door de Hubble-ruimtetelescoop. Maar door gebruik te maken van de James Webb Ruimtetelescoop konden we dit object waarnemen zoals het er 510 miljoen jaar na de oerknal uitzag, zo'n 13 miljard jaar geleden.
We ontdekten dat Gz9p3 veel massiever en volwassener was dan verwacht voor zo'n jong universum, dat al enkele miljarden sterren bevat.
Het is verreweg het zwaarste object dat tot nu toe is bevestigd en is volgens berekeningen tien keer zo zwaar als welk ander sterrenstelsel dan ook dat zo vroeg in het heelal werd gevonden.
Gecombineerd suggereren deze resultaten dat sterren zich veel sneller en efficiënter moeten hebben ontwikkeld als het sterrenstelsel deze omvang wil bereiken dan we eerst dachten.
Verste fusie van sterrenstelsels in het vroege heelal
Deze Gz9p3 is niet alleen enorm, maar door zijn complexe vorm wordt hij meteen geïdentificeerd als een van de eerste fusies van sterrenstelsels die ooit zijn waargenomen.
De JWST-opname van het sterrenstelsel toont een morfologie die doorgaans wordt geassocieerd met twee op elkaar inwerkende sterrenstelsels. En de fusie is nog niet voltooid omdat we nog steeds twee componenten zien.
Wanneer twee massieve objecten op deze manier samenkomen, gooien ze in feite een deel van de materie weg. Deze verworpen kwestie suggereert dus dat wat we hebben waargenomen een van de meest verre fusies is die ooit zijn gezien.
Vervolgens ging ons onderzoek dieper in op het beschrijven van de populatie sterren waaruit de samensmeltende sterrenstelsels bestaan. Met behulp van JWST konden we het spectrum van het sterrenstelsel onderzoeken, waarbij het licht op dezelfde manier werd gesplitst als een prisma wit licht in een regenboog splitst.
Wanneer alleen beeldvorming wordt gebruikt, laten de meeste onderzoeken naar deze zeer verre objecten alleen zeer jonge sterren zien, omdat de jongere sterren helderder zijn en dus hun licht de beeldgegevens domineert.
Een jonge, heldere populatie die is ontstaan door de fusie van sterrenstelsels en nog geen paar miljoen jaar oud is, overtreft bijvoorbeeld een oudere populatie die al meer dan 100 miljoen jaar oud is.
Met behulp van de spectroscopietechniek kunnen we zulke gedetailleerde waarnemingen doen dat de twee populaties kunnen worden onderscheiden.
Nieuwe modellen van het vroege heelal
Een dergelijke volwassen populatie was niet te verwachten als je bedenkt hoe vroege sterren gevormd zouden moeten zijn om tegen deze kosmische tijd voldoende verouderd te zijn. De spectroscopie is zo gedetailleerd dat we de subtiele kenmerken van de oude sterren kunnen zien die ons vertellen dat er meer is dan je denkt.
Specifieke elementen die in het spectrum zijn gedetecteerd (waaronder silicium, koolstof en ijzer) onthullen dat deze oudere populatie moet bestaan om de Melkweg te verrijken met een overvloed aan chemicaliën.
Het is niet alleen de grootte van de sterrenstelsels die verrassend is, maar ook de snelheid waarmee ze uitgroeiden tot een chemisch volwassen stadium.
Deze waarnemingen leveren het bewijs van een snelle, efficiënte opbouw van sterren en metalen in de onmiddellijke nasleep van de oerknal, gekoppeld aan de voortdurende samensmelting van sterrenstelsels, wat aantoont dat massieve sterrenstelsels met enkele miljarden sterren eerder bestonden dan verwacht.
Geïsoleerde sterrenstelsels bouwen hun sterrenpopulatie in situ op uit hun eindige gasreservoirs, maar dit kan voor sterrenstelsels een langzame manier zijn om te groeien.
Interacties tussen sterrenstelsels kunnen nieuwe instromen van ongerept gas aantrekken, wat brandstof levert voor snelle stervorming, en fusies bieden een nog versneld kanaal voor massaaccumulatie en groei.
De grootste sterrenstelsels in ons moderne universum hebben allemaal een geschiedenis van samensmeltingen, inclusief onze eigen Melkweg die tot zijn huidige omvang is gegroeid door opeenvolgende samensmeltingen met kleinere sterrenstelsels.
Deze waarnemingen van Gz9p3 laten zien dat sterrenstelsels in het vroege heelal snel massa konden accumuleren door middel van fusies, waarbij de efficiëntie van de stervorming hoger was dan we hadden verwacht.
Deze en andere waarnemingen met behulp van de JWST zorgen ervoor dat astrofysici hun modellering van de beginjaren van het universum aanpassen.
Onze kosmologie is niet noodzakelijkerwijs verkeerd, maar ons begrip van hoe snel sterrenstelsels gevormd worden waarschijnlijk wel, omdat ze massiever zijn dan we ooit voor mogelijk hielden.
Deze nieuwe resultaten komen goed op het juiste moment nu we de grens van twee jaar naderen voor wetenschappelijke waarnemingen gedaan met behulp van de JWST.
Naarmate het totale aantal waargenomen sterrenstelsels groeit, gaan astronomen die het vroege heelal bestuderen over van de ontdekkingsfase naar een periode waarin we voldoende grote monsters hebben om nieuwe modellen te gaan bouwen en verfijnen.
Er is nog nooit een spannender moment geweest om de mysteries van het vroege universum te begrijpen.