Op zoek naar de eerste sterren

Tijdens het jubileumsymposium van de NVWS hield de (toen nog in Groningen werkzame) astronoom Koen Kuijken een betoog over het ontstaan van sterrenstelsels. Het hoogtepunt van zijn lezing waren de resultaten, verkregen met de Hubble-ruimtetelescoop en de Keck-telescoop op Hawaï, van onderzoek aan de vermoedelijke bouwstenen van de melkwegstelsels. Dankzij het gravitatielenseffect wordt het uiterst zwakke schijnsel van de groepjes sterren in kwestie als het ware ‘voorversterkt’. Met behulp van de komende generatie waarneeminstrumenten zal nog verder in het verleden kunnen worden gekeken. En dan zal ook blijken in hoeverre de waargenomen realiteit aan de voorspellingen van theoretische modellen kan worden gekoppeld.

Gravitatielens

In het vorige nummer van Zenit heeft men meer kunnen lezen over het verschijnsel ‘gravitatielens’. Doordat de zwaartekracht licht afbuigt, kunnen melkwegstelsels en zelfs groepen van melkwegstelsels als een kosmische lens fungeren die het licht van verder weg gelegen objecten versterkt. Een gravitatielens heeft wel een nare bijwerking: de afbeelding van het verre object wordt vervormd. Het is alsof je door de voet van een wijnglas naar het heelal kijkt.
Een van de meest spectaculaire voorbeelden van gravitatielenswerking is de hier afgebeelde cluster van melkwegstelsels, Abell 2218. Alle wazige, oranjegele vlekken op de foto zijn verre melkwegstelsels: verzamelingen van honderden miljarden afzonderlijke sterren. Op de foto is welgeteld één nabije ster te zien (uiterst linksboven, grotendeels buiten beeld). Verder zien we ook allerlei blauwe en oranje boogjes, die in grote kringen om de meest dichtbevolkte delen van de cluster liggen. Deze boogjes zijn de vervormde afbeeldingen van melkwegstelsels die zich achter Abell 2218 bevinden; hun bestaan is al meer dan tien jaar bekend.
Bij nader onderzoek blijken er op de opname nog meer afbeeldingen van achtergrondobjecten te staan, maar het is natuurlijk een hele toer om van elk verdacht lichtplekje na te gaan of het een heel zwak voorgrondsterretje is of een ver melkwegstelsel waarvan het licht door de gravitatielens Abell 2218 is gegaan. Toch kom je er maar op één manier achter: de hele opname systematisch afspeuren en elk opvallend lichtpuntje nog eens nader bestuderen. En dat is ook precies wat de onderzoekers de afgelopen jaren hebben gedaan.

Onooglijke stipjes

De cluster Abell 2218 bestaat uit ongeveer duizend afzonderlijke melkwegstelsels en bevindt zich op een afstand van twee miljard lichtjaar – naar astronomische begrippen tamelijk dichtbij. Tussen al deze melkwegstelsels en de vervormde afbeeldingen van verder weg gelegen stelsels heeft men twee onooglijke stipjes ontdekt (met rode pijlen aangegeven), waarvan de afstand nu is bepaald op 13,4 miljard lichtjaar. Of beter gezegd: hun roodverschuiving bedraagt 5,58. Dat betekent dat het licht dat we ontvangen er meer dan 13 miljard jaar over heeft gedaan om hier aan te komen. We zien het object dus zoals het 13,4 miljard jaar geleden was – minder dan 600 miljoen jaar na het ontstaan van het heelal.
De beide rode stipjes zijn afbeeldingen van één en hetzelfde object, dat door de gravitatielenswerking van Abell 2218 dubbel is afgebeeld. Het gaat om een betrekkelijk klein melkwegstelsel, dat normaal gesproken veel te zwak zou zijn om met de huidige telescopen waargenomen te kunnen worden. Het kosmische ‘vergrootglas’ heeft het stelsel niet alleen verdubbeld, maar het licht ervan ook met een factor 30 versterkt.
De sterrenkundigen die het zwakke melkwegstelsel hebben opgespoord, onder wie de Belgische astronoom Koen Kuijken, denken dat het stelsel hooguit enkele miljoenen sterren telt en niet groter is dan 500 lichtjaar. Ter vergelijking: ons eigen Melkwegstelsel omvat 200 miljard sterren en heeft een middellijn van 100.000 lichtjaar. Een volwaardig melkwegstelsel kan het dus niet zijn. Dat is volgens de onderzoekers ook het meest bijzondere aan de ontdekking: het zou kunnen gaan om een van de bouwstenen die zich later in de geschiedenis van het heelal tot grotere stelsels samenvoegen. Misschien zien we hier het resultaat van de geboorte van de eerste generatie sterren in het heelal.

Terug naar de oerknal

In grote lijnen denken we het ontstaan van het heelal en van de materie daarin te begrijpen. De eerste 300.000 jaar was het heelal gevuld met een heet mengsel van straling en materie. Pas toen dat mengsel voldoende was afgekoeld om atomen waterstof en helium te vormen, kreeg de straling vrij spel en werd de materie min of meer doorzichtig. Maar wat is er met die materie gebeurd toen het heelal verder afkoelde en groter werd? Anders gezegd: wanneer ontstonden de eerste sterren en hoe hebben deze zich tot melkwegstelsels gegroepeerd?
Je kunt deze vraagstukken van twee kanten benaderen. De observationele sterrenkundige zal de beste waarneeminstrumenten gebruiken om zo ver mogelijk het heelal in te kijken. Maar het kan ook anders: uitgaande van de (schaarse) gegevens over de beginomstandigheden van het heelal, kun je computersimulaties maken van de manier waarop de oermaterie zich tot de eerste sterren heeft samengebald. Voer voor theoretische sterrenkundigen dus.
Eind vorig jaar publiceerden onderzoekers van de universiteit van Californië te San Diego (UCSD) de resultaten van kosmologische simulaties die met een supercomputer waren uitgevoerd. Volgens deze berekeningen zouden de eerste sterren extreem zwaar moeten zijn geweest: iets van 100 zonsmassa’s. Zulke sterren zouden het resultaat zijn van de zwaartekrachtscollaps van grote wolken moleculaire waterstof en helium.
Nog afgezien van hun grote massa zouden deze ‘supersterren’ heel anders zijn geweest dan hun huidige soortgenoten. Zo zouden ze alleen kunnen bestaan uit waterstof, helium en een vleugje lithium. Zwaardere elementen bestonden er in die begindagen immers nog niet. Dat is ook precies de reden waarom de eerste sterren in het heelal waarschijnlijk heel zwaar moeten zijn geweest: voor fusiereacties in een mengsel van uitsluitend waterstof en helium is een hogere temperatuur en druk nodig dan in een mengsel waarin ook zwaardere elementen zitten.
Volgens de berekeningen van de UCSD-onderzoekers zouden de eerste van deze sterren ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal geboren zijn (bij een roodverschuiving van 20 à 30). Maar wat is er gebeurd tussen dit moment en de epoche die Kuijken en medewerkers hebben waargenomen? Vast staat dat de supersterren zelf niet lang geleefd kunnen hebben. Zulke reusachtige stellaire objecten zijn in no time door hun brandstofvoorraad heen en zouden al binnen enkele miljoenen jaren als supernova eindigen. Daarmee verrijkten zij de interstellaire materie in het heelal met zwaardere elementen, die op hun beurt weer het ontstaan van generaties kleinere sterren mogelijk maakten.

Na de supersterren

Maar hoewel sterrenkundigen het erover eens zijn dat de eerste generatie sterren groot en zwaar is geweest, bestaat er tot nog toe geen overeenstemming over wat daarna moet zijn gebeurd. Vormden zich geleidelijk kleine melkwegstelselachtige stergroepen die later tot echte melkwegstelsels versmolten? Of ontstonden er misschien eerst superzware zwarte gaten uit de restanten van supernova-explosies, waar zich later sterren omheen verzamelden?
Ook over dit probleem hebben de UCSD-onderzoekers zich gebogen. Hun computersimulaties gaan uit van een gelijkmatig mengsel van donkere materie en gas dat onder invloed van de zwaartekracht begint te klonteren. In elke ‘klont’ zou één superster zijn ontstaan, die gehuld is in een halo van donkere materie. De intense ultraviolette straling van deze ster zou voorkomen dat er meer sterren binnen dezelfde gaswolk ontstaan. Of dat een realistisch scenario is, is echter nog maar de vraag, omdat de details van het stervormingsproces nog slecht begrepen worden.
Soortgelijke computersimulaties door Volker Bromm van de Yale-universiteit komen uit op een eerste generatie supersterren die tot wel 1000 zonsmassa’s zwaar zouden zijn geweest. Volgens Bromm is het mogelijk dat deze sterren uiteindelijk hebben gediend als de ‘groeikernen’ van de superzware zwarte gaten die later in quasars worden aangetroffen.
Het zal niet gemakkelijk zijn om de eerste generatie supersterren op te sporen. Ze bevinden zich op enorme afstanden en bovendien wordt het merendeel van de straling die ze uitzenden – die in het ultraviolet – geabsorbeerd door de grote hoeveelheden neutrale waterstof die het heelal destijds nog rijk was. Pas nadat generaties sterren deze neutrale waterstof hadden geïoniseerd, kreeg de ultraviolette straling vrij spel, en dat is iets wat waarschijnlijk pas ongeveer 300 miljoen jaar na de oerknal is gebeurd.
Toch is er een sprankje hoop. In tegenstelling tot ultraviolette straling kan radiostraling wél door de neutrale waterstof heen. Theoretisch is het dus mogelijk om de supersterren in het radiogebied waar te nemen. Maar dat klinkt eenvoudiger dan het is: om de zwakke signalen te kunnen detecteren is een reusachtige radiotelescoop nodig – een instrument met een ontvangend oppervlak van een vierkante kilometer. Over de bouw van een dergelijk instrument, de Square Kilometer Array (SKA), wordt overigens al serieus nagedacht (zie Zenit 27, mei 2000, blz. 220 e.v.).

Topje van de ijsberg

Een ander ijzer in het vuur is de nieuwe camera van de Hubble-ruimtetelescoop, de Advanced Camera for Surveys (ACS). Onderzoek van het Hubble Deep Field, een lang belichte opname van een stukje hemel met de minder gevoelige WFPC2-camera van de ruimtetelescoop, duidt erop dat we zo langzamerhand gaan zien dat de stervorming verder in het heelal – eerder in de geschiedenis van het heelal dus – veel sneller verliep dan nu. Dat is althans de mening van Ken Lanzetta van de State University of New York (SUNY).
Volgens Lanzetta zijn de verste objecten die op de ‘deep field’-opnamen te zien zijn slechts het topje van de ijsberg. Hij baseert deze conclusie op een analyse van de kleuren van de stelsels in het Hubble Deep Field. De verste stelsels die we nu zien produceren relatief al tien keer zo snel nieuwe sterren als hun huidige soortgenoten. Maar verder in het verleden zou de stervormingsactiviteit nog heviger zijn geweest. Het probleem is echter dat we op die afstanden tot nu toe alleen de allerhelderste melkwegstelsels zien. Negentig procent van al het licht dat die verre stelsels produceren zou op het Hubble Deep Field ontbreken, omdat de gebruikte instrumenten niet gevoelig genoeg zijn.
Lanzetta hoopt dat de nieuwe ACS-camera in elk geval ver genoeg het heelal in kan kijken om zijn extrapolatie naar het verleden te kunnen bevestigen. De eerste voortekenen zijn gunstig. Op de opname van het ‘Kikkervisstelsel’ die onlangs met de ACS is gemaakt blijken op de achtergrond 6000 verre melkwegstelsels zichtbaar te zijn. Dat is tweemaal zo veel als op de ‘oude’ Hubble Deep Field-opnamen uit 1995.
Als Lanzetta gelijk krijgt, zullen op langer belichte ACS-opnamen nog veel meer stelsels te zien moeten zijn. Maar om meer van de kosmische ijsberg te kunnen zien, zullen grotere instrumenten nodig zijn, zoals de eerdergenoemde SKA-radiotelescoop of de opvolger van ‘Hubble’, de Next Generation Space Telescope.

(Zenit, juni 2002)

Artist’s impression van het heelal, toen dit nog geen 1 miljard jaar oud was. Door de hevige stervorming zou de hemel bezaaid zijn geweest met melkwegstelsels die bezaaid zijn met sterrenhopen van hete, blauwe sterren en de restanten van hevige supernova-explosies. (Illustratie: Adolf Schaller/STScI)

De cluster Abell 2218 fungeert als een kosmisch ‘vergrootglas’. Door het gravitatielenseffect wordt het licht van verder weg gelegen melkwegstelsels vervormd en versterkt. Tussen de talrijke boogjes van ‘vervormde’ achtergrondstelsels zit ook een tweetal onooglijke stipjes (inzet), dat een dubbele afbeelding van een extreem ver melkwegstelsel blijkt te zijn (rode pijlen). (Foto: ESA, NASA, Richard Ellis (Caltech, USA) en Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees, France))

Ruimtelijk schema van de weg die het licht van het verre stelsel langs de gravitatielens Abell 2218 aflegt. (Tekening: ESA/NASA)

Overzicht van de ineenstorting van een gaswolk tot een van de ‘oersterren’ in het heelal, zoals volgt uit het model van de onderzoekers van de UCSD. De bovenste rij laat de theoretische verschillen in gasdichtheid zien in het heelal op roodverschuivingen van 100, 24, 20,4 en 18,2. Op plaatsen waar de dichtheid aanvankelijk iets groter was dan elders zou zich steeds meer materie hebben verzameld, totdat uiteindelijk de eerste ‘supersterren’ ontstonden.
De twee onderste rijen tonen de dichtheid en temperatuur van de uiteindelijke simulaties, gezien vanaf verschillende afstanden (aangegeven in parsec). Het laatste plaatje in beide rijen toont de eigenlijke ‘superster’. (Illustratie: Tom Abel/Science)

Op deze opname van het ‘Kikkervisstelsel’, die onlangs met de nieuwe ACS-camera van de Hubble-ruimtetelescoop is gemaakt, blijken op de achtergrond 6000 verre melkwegstelsels zichtbaar te zijn. Dat is tweemaal zo veel als op de ‘oude’ Hubble Deep Field-opnamen uit 1995. (Foto: NASA en het ACS Science Team)

Het tempo van stervorming in het heelal van de oerknal tot nu. Er zijn aanwijzingen dat het hoogtepunt van de stervorming al kort na de oerknal heeft plaatsgevonden en niet pas na enkele miljarden jaren, zoals men vroeger dacht (stippellijn). (Illustratie: A. Feild/STScI)

Deze drie afbeeldingen laten zien hoe een nabij melkwegstelsel met actieve stervormingsgebieden er op grotere afstanden uit zou zien. Op grote afstanden zien we alleen nog het stervormingsgebied nabij het centrum. (Illustratie: D. Hunter, A. Aloisi, A Fruchter en Z. Levay/STScI)