Een sterrenstelsel op de achtergrond van de eerste deep field-foto van de James Webb-ruimtetelescoop helpt astronomen de chemie van het vroege heelal te ontrafelen.

Vorige week onthulde de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) zijn eerste beelden. Naast de prachtige foto’s die wereldwijd het nieuws haalden, deelde het JWST-team ook een grafiek die de harten van astronomen sneller doet kloppen. Het plaatje toont het lichtspectrum van een onopvallend rood sterrenstelsel, dat zich in de achtergrond bevindt van de deep field-opname  van de telescoop. De pieken en dalen laten zien welke elementen schuilgaan in dit sterrenstelsel, dat stamt uit de jonge jaren van het heelal.

Het licht van het sterrenstelsel SMACS 0723 is 13,1 miljard jaar geleden uitgezonden. Beeld: NASA, ESA, CSA & STScI.

Het spectrum is gemaakt met het NIRSpec-instrument van de JWST. Dit apparaat gebruikt kleine vensters om het licht van objecten in het zicht van de telescoop te isoleren. Zo kan hij het licht beter analyseren. In dit geval werd alleen het sterlicht van het oude sterrenstelsel doorgelaten, om de chemische kenmerken ervan te bekijken.

Verrassingen uit het vriesvak
LEES OOK
Verrassingen uit het vriesvak

Onmisbare zuurstof

De eerste JWST-waarnemingen waren zo goed geheimgehouden, dat zelfs een deel van het NIRSpec-team zelf niet wist van het bestaan van het spectrum, tot de publieke bekendmaking op 12 juli. Het belang van het beeld was echter meteen duidelijk. NIRSpec-teamlid Andrew Bunker van de Universiteit van Oxford noemde na de onthulling één bijzonder kenmerk van het spectrum als ‘een echte stap vooruit’.

Het gaat om een zogeheten emissielijn – de kenmerkende vingerafdruk van zuurstofgas, met een golflengte van 436,3 nanometer. Het NIRSpec-team hoopte al dat zij deze emissielijn in extreem verre sterrenstelsels zouden kunnen waarnemen, zegt Bunker. Ze verwachtten echter dat ze ‘tientallen of honderden’ stelsels zou moeten doorzoeken voordat ze hem zouden aantreffen. ‘We hadden niet durven dromen dat hij in de eerste foto, in wezen een PR-beeld, te zien zou zijn. Dat is echt ongelooflijk.’

De zuurstoflijn is belangrijk omdat astronomen hem gebruiken om metingen van de samenstellingen van sterrenstelsels te ijken. Als je deze lijn kunt zien, kun je ook andere lijnen in een spectrum begrijpen. Zo kun je achterhalen welke andere chemische stoffen er in het sterrenstelsel aanwezig zijn, en in welke hoeveelheden. Astronomen hadden dit al eerder gedaan voor nabije sterrenstelsels, zegt Bunker, maar niet voor verre stelsels zoals deze.

Ontwikkeling van elementen

Wanneer JWST meer lichtspectra heeft verzameld, kunnen onderzoekers vaststellen hoe de verhoudingen van de elementen zwaarder dan helium in sterrenstelsels in de loop der tijd is veranderd. ‘Het geeft je datapunten over die evolutie’, zegt astrofysicus Emma Chapman van Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk. ‘Je kunt dan gaan vaststellen hoe snel de eerste sterren zijn gestorven, en het gas hebben vervuild [met hun materiaal] waaruit de tweede generatie sterren ontstond, zoals die waaruit dit sterrenstelsel is opgebouwd.’

Het stelsel is te zien als een rode ‘blob’ op de achtergrond van de eerste deep field-opname van JWST. Beeld: NASA, ESA, CSA & STScI.

Dit onderzoek kan veel betekenen voor onze kennis van het vroege heelal. ‘Er zit een gat van een miljard jaar in ons begrip van de evolutie van ons heelal’, zegt Chapman. ‘Vanaf ongeveer 380.000 jaar na de oerknal tot ongeveer een miljard jaar daarna hebben we heel weinig informatie. Nu kan de JWST in dat tijdperk duiken.’

Binnenkort zal de telescoop nog verdere, vroegere  sterrenstelsels onderzoeken. Hij zal dan ook meer spectra vastleggen. Bunker verwacht dat JWST binnenkort het verste stelsels ooit zal waarnemen. ‘Ik ben er vrij zeker van dat dat zal gebeuren, misschien niet morgen, maar zeker binnen enkele maanden.’