Sterrenkundigen hebben een verre, kleine verzameling sterren opgespoord die mogelijk een van de ‘bouwstenen’ is waaruit de latere melkwegstelsels zijn ontstaan. De feitelijke ontdekking is gedaan met de Hubble-ruimtetelescoop en de Keck-telescoop op Hawaï, maar Moeder Natuur hielp daarbij een handje. Want het uiterst zwakke schijnsel van de verre sterren is reeds ‘voorversterkt’ door een verschijnsel dat gravitatielenswerking wordt genoemd.
Het is maar goed dat de werking van de zwaartekracht zich niet beperkt tot het dagelijkse leven op onze planeet en de bewegingen van de planeten om de zon. Ook op zeer grote schaal laat de zwaartekracht zich gelden: zij zorgt ervoor dat sterren in enorme aantallen samenscholen in melkwegstelsels en dat deze stelsels op hun beurt ook weer grote groepen vormen. Een minder voor de hand liggend effect van de zwaartekracht is dat zij ook licht kan doen afbuigen. Op aarde merken we daar niets van, daarvoor is de afbuigende werking van de zwaartekracht op onze planeet te gering. Maar zelfs een bescheiden ster als onze zon is al in staat om het licht van verre sterren meetbaar van het rechte pad af te brengen.
Dit verschijnsel, dat gravitatielenseffect wordt genoemd, is al in 1912 door Albert Einstein voorspeld en werd slechts drie jaar later ook werkelijk waargenomen bij sterren die vlak naast de op dat moment verduisterde zon stonden. Daarna werd het vrijwel stil rond het verschijnsel. Pas eind jaren zeventig kwam daar verandering in, toen bleek dat niet alleen sterren maar ook complete melkwegstelsels als gravitatielens kunnen fungeren. De enige voorwaarde is dat zich – van de aarde uit gezien – ver achter zo’n stelsel toevallig nóg een melkwegstelsel bevindt. Hoe exacter de beide stelsels op één lijn staan, des te sterker is het gravitatielenseffect. In de loop van de afgelopen twintig jaar zijn vele tientallen voorbeelden ontdekt van (groepen) melkwegstelsels die als gravitatielens fungeren.
Alles heeft zijn prijs. Een gravitatielens heeft namelijk nare bijwerkingen. Weliswaar wordt het licht van verre objecten door zo’n kosmisch ‘vergrootglas’ versterkt, maar de afbeelding van het object zelf wordt daarbij ook vervormd. Het is alsof je door de voet van een wijnglas naar de maan 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 buitenbeeld). 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.
|
| 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. (Foto: ESA, NASA, Richard Ellis (Caltech, USA) en Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees, France)) |
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
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 hebben sterrenkundigen twee onooglijke stipjes ontdekt (omcirkeld op de foto), waarvan de afstand nu is bepaald op 13,4 miljard lichtjaar. Dat betekent dat het licht dat we ontvangen er meer dan 13 miljard jaar over heeft gedaan om hier aan te komen. Anders gezegd: we zien het object zoals het 13,4 miljard jaar geleden was. En dan te bedenken dat het heelal zelf waarschijnlijk ‘maar’ 14 miljard jaar oud is.
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.
 |
| Ruimtelijk schema van de weg die het licht van het verre stelsel langs de gravitatielens Abell 2218 aflegt. (Tekening: ESA/NASA) |
De sterrenkundigen die het zwakke melkwegstelsel hebben opgespoord, onder wie de in Groningen werkzame Belgische astronoom Koen Kuijken, denken dat het stelsel ongeveer een miljoen sterren telt en niet groter is dan 500 lichtjaar. ‘We zien de straling van jonge, hete sterren en uit de intensiteit van deze straling kunnen we afleiden om hoeveel sterren het ongeveer gaat,’ aldus Kuijken. ‘We hebben ook gezocht naar de straling van normale sterren, die al eerder gevormd zouden zijn, maar die hebben we niet gevonden. Alles bij elkaar kan er niet meer dan enkele miljoenen zonsmassa’s aan jonge sterren zijn. Het is allemaal wat nattevingerwerk, maar het is moeilijk in te denken dat we er een factor tien naast zitten, tenzij het stervormingsproces in het jonge heelal heel anders verliep dan nu.’
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 Kuijken ook het meest opwindende aan de ontdekking: ‘We denken dat het een van de bouwstenen betreft die zich later in de geschiedenis van het heelal tot grotere stelsels samenvoegen. Dankzij deze ontdekkingen kunnen we nu misschien voor het eerst getuige zijn van de geboorte van de eerste generatie sterren.’
Dat laatste is een meevaller, omdat men er tot nog toe eigenlijk van uitging dat de eerste sterren in het heelal pas in beeld zouden komen met de komst van de volgende generatie waarneeminstrumenten. Het Europese ruimtevaartagentschap ESA is momenteel bezig met de bouw van een grote infraroodsatelliet, de Herschel Space Observatory, die zeer geschikt is voor het onderzoek naar de verste melkwegstelsels. En met de NASA wordt hard nagedacht over de opvolger van de Hubble-ruimtetelescoop, de Next Generation Space Telescope. Het ziet ernaar uit dat de primeur van de waarneming van sterren in de oertijd in het heelal aan deze grote satellieten, die pas tegen het eind van decennium gelanceerd zullen worden, voorbij is gegaan. Als het aan Kuijken en zijn collega’s ligt, zullen er voor die tijd nog veel meer van deze ‘oersterren’ worden waargenomen: ‘Onze schattingen duiden erop dat er in clusters als Abell 2218 gemiddeld enkele oerstelsels te zien zullen zijn. We hebben nog niet veel clusters kunnen afspeuren op deze manier, maar daar gaan we nu wel mee door!’