Astronomen hebben, met behulp van ESO’s Very Large Telescope, het verreweg helderste sterrenstelsel ontdekt dat tot nu toe in het vroege heelal is aangetroffen. Ook hebben ze sterk bewijs gevonden dat het stelsel sterren van de eerste generatie bevat. Deze zware, heldere en voorheen zuiver theoretische objecten hebben de eerste zware elementen in de kosmische geschiedenis geproduceerd – de elementen die nodig waren voor de vorming van de ons omringende sterren, de planeten die daaromheen draaien en het leven zoals wij dat kennen.
Het nu ontdekte sterrenstelsel, dat de aanduiding CR7 heeft gekregen, is drie keer helderder dan het helderste verre sterrenstelsel dat tot nu toe bekend was. Astronomen vermoeden al heel lang dat er een eerste generatie van sterren moet zijn – de zogeheten populatie-III-sterren – die is voortgekomen uit de materie die bij de oerknal is ontstaan [1]. Dat betekent dat deze oersterren uit slechts drie elementen bestaan: waterstof, helium en sporen van lithium. Alle zwaardere chemische elementen – zoals zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer, die cruciaal zijn voor leven – zijn in het inwendige van deze en latere sterren gevormd.
De kolossale populatie-III-sterren zouden honderden of zelfs duizend keren meer massa hebben gehad dan de zon en ziedend heet zijn geweest, en na ongeveer twee miljoen jaar als supernova zijn geëxplodeerd. Maar tot nu toe was er geen hard bewijs voor hun bestaan gevonden [2]. Een team astronomen, onder leiding van David Sobral van het Instituut voor Astrofysica en Ruimteonderzoek van de Universiteit van Lissabon, Portugal en de Sterrewacht Leiden, heeft nu ESO’s Very Large Telescope (VLT) gebruikt om diep het heelal in te kijken, naar een periode ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal, die het reïonisatietijdperk wordt genoemd. Daarbij beperkten ze zich niet tot een klein stukje hemel, maar verruimden ze hun blik tot de breedste survey van zeer verre sterrenstelsels die ooit is ondernomen. Bij dit omvangrijke onderzoek hebben de astronomen assistentie gehad van het W.M. Keck Observatory, de Subaru-telescoop en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA.
Het team ontdekte – en bevestigde – het bestaan van een aantal verrassend heldere, zeer jonge sterrenstelsels. Eén daarvan, het stelsel CR7, viel daarbij op door zijn uitzonderlijke grote helderheid. Het is verreweg het helderste sterrenstelsel dat ooit in dit vroege kosmische stadium is waargenomen [4]. Met het opsporen van CR7 en andere heldere sterrenstelsels was het onderzoek al een succes, maar nadere inspectie heeft nóg een verrassende ontdekking opgeleverd. De VLT-instrumenten X-shooter en SINFONI ontdekten sterk geïoniseerde heliumemissie in CR7, maar opvallend genoeg bleek een helder gebied in het stelsel geen sporen van zware elementen te vertonen. Dit betekent dat het team het eerste goede bewijs heeft gevonden dat het jonge stelsel populatie-III-sterren bevat die bezig zijn om het gas in hun omgeving te ioniseren [5].
‘De ontdekking van zo’n helder sterrenstelsel overtrof onze verwachtingen direct al,’ zegt David Sobral. ‘Maar toen we de eigenschappen van CR7 stukje bij beetje uitplozen, begonnen we ons te realiseren dat we niet alleen het verreweg helderste verre sterrenstelsel hadden ontdekt, maar dat dit ook de kenmerken vertoont die je van populatie-III-sterren verwacht. Deze sterren hebben de eerste zware atomen gevormd die uiteindelijk ons bestaan mogelijk hebben gemaakt. Veel spannender dan dit kan wetenschap niet worden.’ Binnen CR7 zijn zowel blauwere als wat rodere sterrenhopen ontdekt. Dat wijst erop dat de vorming van populatie-III-sterren – zoals al was voorspeld – in golven heeft plaatsgevonden. Wat het team heeft waargenomen is de laatste golf van populatie-III-sterren, en dat geeft aan dat zulke sterren makkelijker op te sporen zijn dan tot nog toe werd aangenomen: ze verschuilen zich tussen normale sterren in heldere sterrenstelsels, en niet alleen in de vroegste, kleinste en zwakste stelsels, die uiterst moeilijk waarneembaar zijn.
Jorryt Matthee, medeauteur van het onderzoeksartikel, concludeert: ‘Ik heb me altijd al afgevraagd waar we vandaan komen. Als kind al wilde ik weten hoe de elementen zijn ontstaan: het calcium in mijn botten, de koolstof in mijn spieren, het ijzer in mijn bloed. Ik kwam erachter dat deze voor het eerst werden geproduceerd in de prille begintijd van het heelal, door de eerste generatie van sterren. Met deze opmerkelijke ontdekking beginnen we deze objecten voor het eerst ook echt te zien.’ Geplande waarnemingen met de VLT, ALMA en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA moeten het definitieve bewijs leveren dat nu inderdaad populatie-III-sterren zijn ontdekt, en meer voorbeelden daarvan opleveren.
Noten
[1] De benaming ‘populatie III’ komt voort uit het feit dat astronomen de sterren van de Melkweg eerder al hadden ingedeeld in populatie I (sterren zoals de zon, rijk aan zwaardere elementen en deel uitmakend van de Melkwegschijf) en populatie II (oudere sterren, met minder zware elementen, zoals die worden aangetroffen in de kern en halo van de Melkweg en in bolvormige sterrenhopen).
[2] Deze sterren laten zich heel moeilijk opsporen: ze leefden maar kort en bestonden in een tijd dat het heelal vrijwel ondoorzichtig was voor hun licht. Eerdere ontdekkingen op dit gebied zijn die van o.a. Nagao, et al., 2008, waarbij geen geïoniseerde helium is gedetecteerd; De Breuck et al., 2000, waarbij wel geïoniseerde helium is gedetecteerd, maar ook koolstof en zuurstof, evenals duidelijke tekenen van een actieve kern; en Cassata et al., 2013, waarbij heel zwak geïoniseerde helium is gedetecteerd, maar daarnaast ook koolstof en zuurstof.
[3] De aanduiding CR7 staat voor COSMOS roodverschuiving 7, een maat voor zijn plek in de kosmische geschiedenis. Hoe groter zijn roodverschuiving, des te verder is een sterrenstelsel van ons verwijderd en des te vroeger in de kosmische geschiedenis wordt het waargenomen. A1689-zD1 bijvoorbeeld, een van de oudste sterrenstelsels die ooit zijn waargenomen, heeft een roodverschuiving van 7,5. De aanduiding is mede-geïnspireerd door de bekende Portugese voetballer Cristiano Ronaldo, die ook wel CR7 wordt genoemd (zijn initialen plus rugnummer).
[4] CR7 is drie keer helderder dan de vorige recordhouder, Himiko, die uniek werd geacht voor dit zeer vroege tijdperk. Veel stofrijke sterrenstelsels, veel later in de geschiedenis van het heelal, stralen meer energie uit dan CR7, in de vorm van infraroodstraling van warm stof. De energie die van CR7 afkomstig is, bestaat grotendeels uit ultraviolet en zichtbaar licht.
[5] Het team heeft twee mogelijke theorieën overwogen: dat het licht afkomstig is van de actieve kern van het stelsel of van Wolf-Rayet-sterren. Het ontbreken van zware elementen en ander bewijs spreekt beide theorieën tegen. Het team heeft ook de mogelijkheid overwogen dat de lichtbron een ‘oerzwartgat’ is – een hypothetisch object dat is ontstaan door het samentrekken van een wolk oergas. Het ontbreken van brede emissielijnen en het feit dat de waargenomen waterstof- en heliumemissie veel sterker is dan voor zo’n exotisch zwart gat wordt voorspeld, wijzen erop dat ook dit onwaarschijnlijk is. Het ontbreken van röntgenstraling zou deze mogelijkheid verder ondermijnen, maar dat vereist aanvullende waarnemingen.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek verschijnen in het artikel ‘Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation’ van D. Sobral et al., dat geaccepteerd is voor publicatie in The Astrophysical Journal.
Het onderzoeksteam bestaat uit David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal; Sterrewacht Leiden), Jorryt Matthee (Sterrewacht Leiden), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, VS), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Zwitserland; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, Frankrijk), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, VS), Huub J.A. Röttgering (Sterrewacht Leiden), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugal) en Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, VS).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
