Het kosmische kip-of-ei-dilemma: waren er eerst sterren of zwarte gaten?

We leven omringd door situaties waarin dit dilemma zich kan voordoen: wat was er eerst, de kip of het ei? Hier ga ik in op een zeer actueel dilemma binnen de astrofysica, dat betrekking heeft op de processen van de vorming van sterrenstelsels. We gaan daar verder op in. We presenteren het probleem aan de hand van telegrafische concepten, die we al hebben besproken, en we nodigen de lezer uit om andere artikelen in deze sectie te raadplegen.

Sterrenstelsels hebben niet altijd bestaan. Er was een tijd, bijna 13 miljard jaar geleden, dat er geen sterren waren, alleen een soep van materie, licht en donkere energie . Een niet-statisch universum was Einsteins niet bevallen, maar zijn eigen vergelijkingen – in handen van Lemaître, Leavitt en Hubble – bewezen hem ongelijk.

Sterrenstelsels sterven uit. Sterrenstelsels zoals het onze, die prachtige nabijgelegen spiraalstelsels en elliptische stelsels, sterven uit – of zijn al behoorlijk dood. Vergelijk maar eens hoeveel sterren er vandaag de dag worden gevormd met hoeveel ze herbergen. De berekening klopt niet : in het huidige tempo zou het de Melkweg meerdere levens kosten om de levens te vormen die ze al heeft. Daarom moeten sterrenstelsels in het verleden veel actiever zijn geweest in stervorming, iets wat we hebben bevestigd door het heelal te bestuderen toen het ongeveer half zo oud was als nu.

Iets houdt de stervorming tegen. Aangezien slechts een klein percentage van het beschikbare materiaal – voornamelijk waterstof – uiteindelijk sterren wordt, moet er iets zijn dat dat proces tegenhoudt. En de boosdoener , volgens de meest algemeen aanvaarde theorie onder astrofysici, is het superzware zwarte gat dat zich in de kern van alle sterrenstelsels bevindt. Deze superzware zwarte gaten hebben doorgaans een massa die een duizendste bedraagt van de stellaire massa van hun moederstelsel, maar ze hebben een buitengewone invloed op de evolutie van de kosmos.

Die theorie stelt dat ergens in het vroege heelal, misschien wel 100 of 200 miljoen jaar na de oerknal – we weten nog steeds niet precies wanneer – de eerste sterren zich begonnen te vormen toen het oergas (voornamelijk waterstof, maar ook wat helium en een zeer kleine hoeveelheid andere elementen zoals lithium ) condenseerde. En zo ontstonden de eerste sterrenstelsels, waar op de een of andere manier superzware zwarte gaten verschenen en groeiden. Door processen die we negatieve terugkoppeling noemen, voorkwamen deze superzware zwarte gaten uiteindelijk dat het gas de juiste eigenschappen behield om sterren te vormen, omdat de energie die door het zwarte gat vrijkwam, verhinderde dat het gas condenseerde tot sterrenstelsels. Wat we dus zouden hebben is een proces van stervorming, vervolgens de vorming van een superzwaar zwart gat, en uiteindelijk zou dit de stervorming stoppen.

Maar de JWST- ruimtetelescoop verandert deze misschien wel erg naïeve visie. We ontdekken een veelheid aan zeer verre sterrenstelsels – dat wil zeggen, sterrenstelsels die bestonden toen het heelal nog heel jong was – die al superzware zwarte gaten hadden. En die waren heel, heel groot toen het heelal nog geen 10% van zijn huidige leeftijd had! Zelfs van, laten we zeggen, de tien verste sterrenstelsels die we kennen, met een volledig bevestigde afstand, zou de helft zwarte gaten kunnen hebben die zo zwaar zijn als de Melkweg zelf – ongeveer een miljoen zonnen, of zelfs iets groter. Ze zijn zo groot dat hun massa groter zou kunnen zijn dan de sterachtige massa van de gaststelsels in dat jonge heelal. Let op de conditionele werkwoord: we zijn onze berekeningen nog aan het controleren. We hebben ook objecten ontdekt die iets later, in de eerste 15% van de geschiedenis van het heelal, nog grotere massa's zouden kunnen hebben, de zogenaamde kleine rode stippen . Het is heel moeilijk te verklaren hoe zulke grote zwarte gaten in zo'n korte tijd, en in sterrenstelsels met zo weinig sterren, zijn ontstaan.

En hier komt het kip-en-ei-dilemma. Was het proces echt zo dat sterren ontstonden, zwarte gaten ontstonden, zwarte gaten groeiden en zwarte gaten uiteindelijk een einde maakten aan de stervorming? Of gingen zwarte gaten misschien vooraf aan de eerste sterren, begonnen er zonnen te ontstaan, groeiden er zwarte gaten en stierven er sterrenstelsels uit? Noem zwarte gaten het ei en sterren de kip, of andersom.

De vraag is niet triviaal. Als superzware zwarte gaten er al waren vóór sterren, bevorderden ze misschien in eerste instantie de vorming van zonnen, om vervolgens precies het tegenovergestelde te doen en de vorming van meer zonnen te voorkomen. Als zwarte gaten er al waren, kan hun oorsprong niet stellair zijn, en dat is de oorsprong waarvoor we veel gegevens hebben; we weten welke sterren zwarte gaten vormen (maar dan wel minuscule vergeleken met deze superzware). Dus wat is er gebeurd? Waren ze er altijd al? Zijn ze ontstaan via een proces dat nog niet is waargenomen, en misschien volledig onbekend, of bekend maar onbewezen?

Het kip-en-ei-dilemma is niet nieuw. Aristoteles lijkt het al aan de orde te hebben gesteld, in zijn zoektocht naar oorzaken en gevolgen en de eerste onbeweeglijke beweger. Alle kippen komen uit eieren, en alle eieren brengen kippen voort. Het lijkt onmogelijk om het een zonder het ander te hebben en vice versa, afgezien van beschouwingen over de evolutie van soorten (ja, er waren eieren vóór de komst van kippen). Er is een oneindige reeks, en Aristoteles concludeerde dat er geen oorsprong is; niets kan eerst komen in die reeks. Als niets eerst kan komen, dan stellen we het concept tijd ter discussie. Sterker nog, Plutarchus lijkt zich, terwijl hij over hetzelfde probleem nadacht, af te vragen of de wereld wel een begin had. En van daaruit kunnen we verdergaan met het bespreken van de schepping en de theologie induiken. Dat is niet mijn expertisegebied, noch het expertisegebied voor deze sectie.

Kosmische Leegte is een sectie die onze kennis van het universum zowel kwalitatief als kwantitatief presenteert. Het beoogt het belang uit te leggen van het begrijpen van de kosmos, niet alleen vanuit een wetenschappelijk perspectief, maar ook vanuit een filosofisch, sociaal en economisch perspectief. De naam "kosmische leegte" verwijst naar het feit dat het universum grotendeels leeg is, met minder dan één atoom per kubieke meter, ondanks het feit dat er paradoxaal genoeg quintiljoen atomen per kubieke meter in onze omgeving zijn, wat uitnodigt tot reflectie op ons bestaan en de aanwezigheid van leven in het universum. De sectie bestaat uit Pablo G. Pérez González , onderzoeker aan het Centrum voor Astrobiologie, en Eva Villaver , adjunct-directeur van het Instituto de Astrofísica de Canarias.