Kleine, lichtzwakke dwergsterrenstelsels speelden waarschijnlijk een belangrijke rol in het vroege heelal. Hun licht was een aanjager van de zogeheten reïonisatie, waardoor de mist van waterstofgas optrok. Dat blijkt uit nieuwe waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop.
Voordat de eerste sterren een paar honderd miljoen jaar na de oerknal ontstonden, was het heelal donker en gehuld in wolken van waterstofatomen, die licht tegenhielden. De eerste sterren brachten daar verandering in. Ze straalden licht uit, en een energierijk deel van dat licht sloeg de elektronen uit de waterstofatomen. Die veranderden daardoor in ionen, die weer licht doorlieten. De waterstofwolken trokken op als mist in de zon. Dit proces wordt de reïonisatie van het heelal genoemd.
Astronomen tasten nog in het duister over hoe dat proces precies verliep. Een internationale groep onderzoekers heeft nu voor het eerst de rol van lichtzwakke dwergstelsels uit de reïonisatie-periode in detail kunnen bestuderen, door slim gebruik te maken van de krachtige James Webb-ruimtetelescoop (JWST) en het zwaartekrachtlenseffect. Hun resultaten verschenen in vakblad Nature.
Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.
Veel dwergstelsels
‘We vermoeden al langer dat de reïonisatie grotendeels aangedreven werd door veel kleine dwergstelsels waarin de eerste sterren geboren werden’, vertelt astrofysicus Pratika Dayal, van de Rijksuniversiteit Groningen, die betrokken was bij het onderzoek. ‘We denken namelijk dat de grote sterrenstelsels die we nu zien, ontstaan zijn door het samensmelten van kleine sterrenstelsels met weinig massa.’
Hoewel veel sterrenkundigen zich dit scenario voorstellen als ze aan de reïonisatie denken, was er tot nu toe geen bewijs voor. Dankzij de eind 2021 gelanceerde JWST is dat bewijs er nu wel.
Zwaartekrachtlens
‘Met de JWST kunnen we voor het eerst terugkijken naar deze vroege, ster-vormende periode’, vertelt Dayal. ‘En dankzij zwaartekrachtlenzen kunnen we zelf dingen zien die nog voorbij het blikveld van de JWST liggen.’
De onderzoekers maakten gebruik van een zwaartekracht-lens om de lichtzwakke dwergstelsels te bestuderen. Dat werkte als volgt: de onderzoekers richtten de ruimtetelescoop op Abell 2744, of Pandora’s Cluster, een cluster van sterrenstelsels op ongeveer vier miljard lichtjaar van de aarde. De grote massa van dit cluster kromt de ruimtetijd eromheen. Daardoor wordt het licht van achtergelegen sterrenstelsels afgebogen alsof het door een vergrootglas gaat. Zo wordt het vervormd en versterkt.
Veel stelsels en veel fotonen
Door die versterking konden de onderzoekers het zwakke, miljarden jaren oude licht van acht dwergstelsels uit het vroege heelal analyseren. Ze gebruikten daarvoor een spectrograaf, een meetinstrument dat het licht in verschillende kleuren, ofwel golflengtes, kan opsplitsen. Door precies te analyseren welke kleuren licht de stelsels uitzenden, kunnen de onderzoekers vaststellen dat deze stelsels inderdaad bestonden tijdens de reïonisatie van het heelal.
Verder lieten deze waarnemingen zien dat de stelsels vier keer meer ioniserende fotonen (lichtdeeltjes) uitzenden dan verwacht. Deze ioniserende fotonen doen de waterstofwolken optrekken, en veroorzaken dus de reïonisatie. Ook wijzen de metingen erop dat er in het vroege heelal relatief veel dwergstelsels waren. ‘Er waren dus veel van deze stelsels én ze zonden veel ioniserende fotonen uit’, zegt Dayal. ‘Dat wijst erop dat ze – zoals verwacht – een belangrijke aanjager waren van de reïonisatie.’
‘Het is mooi onderzoek dat dankzij de kracht van de JWST hier inderdaad sterk bewijs voor levert’, zegt sterrenkundige Rychard Bouwens, van de Universiteit Leiden, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Het is een belangrijke eerste stap naar meer onderzoek, om te bekijken of ook nóg lichtzwakkere stelsels en zwarte gaten een rol speelden in het vroege heelal.’
