Ze komen er eindelijk achter wie 'de lichten heeft aangezet' in het universum

Astronomen proberen al tientallen jaren de oorsprong te lokaliseren van het eerste licht dat het heelal verlichtte. Het zijn de oerlichtbronnen die er voor het eerst, zo'n 380.000 jaar na de oerknal , in slaagden de dichte waterstofmist die het pasgeboren heelal omhulde, te verdrijven. Dankzij de verbluffende gecombineerde mogelijkheden van de James Webb- en Hubble-ruimtetelescopen heeft een internationaal team van wetenschappers eindelijk het antwoord gevonden. De eerste 'gloeilampen' die het heelal verlichtten, waren niet, zoals we dachten, gigantische en krachtige sterrenstelsels, maar veel bescheidener en talrijkere dwergsterrenstelsels die pas nu door moderne telescopen kunnen worden waargenomen. De ontdekking is zojuist gepubliceerd in Nature .

Het heelal zoals wij dat vandaag de dag kennen, is een uitgestrekt tapijt van heldere sterrenstelsels, vlammende sterren en verspreid interstellair gas. Maar dat was niet altijd zo. Direct na de oerknal was er een donkere periode waarin fotonen, de deeltjes die licht overbrengen, zich nog niet vrij konden bewegen. In die tijd was het heelal niets meer dan een soort ondoorzichtige 'soep' van neutrale waterstof, zonder sterren of sterrenstelsels die het verlichtten. Een leeg canvas, wachtend op de eerste lichtstreek.

Maar dat licht kwam niet meteen. Voordat het zover was, moesten er nog een heleboel andere gebeurtenissen plaatsvinden. Pas zo'n 300.000 jaar na de oerknal koelde het heelal, dat aanvankelijk niets meer was dan een vurige wolk van quarks en gluonen met een temperatuur van miljarden graden, voldoende af. Hierdoor konden deze deeltjes zich samenvoegen tot protonen en neutronen, die vervolgens elektronen begonnen te combineren en te vangen om zo de eerste atomen neutrale waterstof en helium te vormen. Gassen die, net als dichte mist, het licht vasthielden en de kosmos donker maakten.

Onder invloed van de zwaartekracht begonnen ook de oerwaterstof en helium samen te smelten en zo de eerste sterren te vormen: kolossale bollen van vurig gas, waarvan sommige tot wel 300 keer zo zwaar waren als onze zon en miljoenen keren helderder. Sterren waren echter vergankelijk en leefden slechts een paar miljoen jaar voordat ze explodeerden als een supernova. Maar deze sterren zetten iets belangrijks in beweging. Het ongelooflijk energieke ultraviolette licht kon elektronen van waterstofatomen 'strippen', een proces dat ionisatie wordt genoemd. Zo werd neutrale waterstof geleidelijk omgezet in geïoniseerd plasma, waardoor licht vrij door de ruimte kon reizen. Deze periode, die begon aan het einde van de donkere middeleeuwen, 380.000 jaar na de oerknal, en duurde totdat het heelal ongeveer een miljard jaar oud was, wordt door astronomen het 'tijdperk van de reïonisatie' genoemd.

Al tientallen jaren breken wetenschappers zich het hoofd over de precieze bronnen van deze ioniserende straling. Vroege theorieën suggereerden dat grote zwarte gaten, die de materie in de omgeving versnellen en ervoor zorgen dat het verblindend licht geeft, of misschien enorme sterrenstelsels die midden in de stervorming zitten, met hun heldere jonge sterren, de voornaamste verantwoordelijken waren. Pasgeboren sterren produceren immers veel ultraviolet licht. Het was echter niet eenvoudig om het vroege heelal, dat zo zwak en ver weg is in tijd en ruimte, te bestuderen om dit te verifiëren. Het was alsof ik probeerde het zwakke licht van een kaars te onderscheiden op duizenden kilometers afstand en door dichte mist.

En toen kwam de James Webb Space Telescope (JWST), de grootste en krachtigste telescoop die ooit in een baan om de aarde is gebracht. Het was een instrument dat, als geen ander, terug in de tijd kon kijken en het begin van de schepping direct kon observeren. Eén van Webbs belangrijkste missies is dan ook precies dat: een kijkje nemen in dit cruciale tijdperk in de vorming van ons heelal en de geheimen ervan onthullen. De Webb heeft het gedaan. Niet alleen zijn er allerlei verrassingen aan het licht gekomen over deze onbekende periode, ook zijn eindelijk de ware protagonisten van de reïonisatie gevonden.

Onder leiding van Hakim Atek van het Institut d'Astrophysique de Paris maakte een internationaal team van astronomen gebruik van gegevens die door de krachtige ruimtetelescoop waren verzameld over een cluster van sterrenstelsels genaamd Abell 2744, ook bekend als de Pandoracluster.

Gegevens die hij verkreeg dankzij het fascinerende fenomeen van gravitatielenzen. Abell 2744 is zo groot dat de ruimtetijd eromheen aanzienlijk kromtrekt, net zoals een ijzeren bal het oppervlak van een strak gespannen laken kromtrekt. Deze kromming van het ruimte-tijdweefsel werkt als een kosmisch vergrootglas: het vergroot en vervormt de weergave van de veel verder weg gelegen sterrenstelsels achter de cluster. Zonder deze 'lens' zouden zulke verre sterrenstelsels zelfs voor Webb onzichtbaar zijn. Dankzij dit vergrotingseffect konden onderzoekers extreem verre lichtbronnen bestuderen, ver voorbij Abell 2744. Daarbij kwamen acht extreem zwakke sterrenstelsels aan het licht die anders niet waarneembaar zouden zijn geweest.

Dankzij de Webb-waarnemingen en gegevens van de Hubble-ruimtetelescoop kon het team extreem zwakke sterrenstelsels identificeren die het hoogtepunt van de reïonisatie meemaakten. Vervolgens gebruikten ze Webb's Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) om het licht te analyseren en de samenstelling, temperatuur en andere eigenschappen ervan te bepalen. De resultaten waren verrassend. Het team ontdekte dat deze dwergsterrenstelsels niet alleen het talrijkst waren in het vroege heelal, maar dat ze ook enorme hoeveelheden ioniserende straling produceerden. Die straling was vier keer zo talrijk als eerder werd aangenomen voor veel grotere sterrenstelsels.

"Deze ontdekking", zegt Iryna Chemerynska, medeauteur van de studie, "onthult de cruciale rol die ultrazwakke sterrenstelsels speelden in de vroege evolutie van het heelal. Ze produceren ioniserende fotonen die neutraal waterstof omzetten in geïoniseerd plasma tijdens kosmische reïonisatie. Dit onderstreept het belang van het begrijpen van sterrenstelsels met een lage massa voor de vorming van de geschiedenis van het heelal.

Atek voegt eraan toe dat "deze kosmische 'energiecentrales' gezamenlijk meer dan genoeg energie uitstoten om hun werk te doen. Ondanks hun kleine omvang zijn deze sterrenstelsels met een lage massa productieve producenten van energetische straling, en hun overvloed gedurende deze periode is zo groot dat hun gezamenlijke invloed de toestand van het heelal volledig kan veranderen."

Met andere woorden: hoewel ze individueel klein waren, waren ze in het vroege heelal in grote aantallen toch de voornaamste verantwoordelijken voor het 'aanzetten van het licht'. Hun gezamenlijke uitstoot van ioniserende fotonen was de drijvende kracht achter de verspreiding van de waterstofmist.

Dit is de eerste keer dat wetenschappers op betrouwbare wijze de dichtheid van deze kleine, zwakke sterrenstelsels hebben gemeten. Daarmee bevestigen ze dat ze veruit de meest voorkomende galactische populatie vormen tijdens het tijdperk van reïonisatie. Het is bovendien de eerste keer dat het werkelijke ioniserende vermogen van deze sterrenstelsels is gemeten. Hierdoor kunnen astronomen vaststellen dat ze genoeg energierijke straling produceerden om het vroege heelal volledig te ioniseren.

"De ongelooflijke gevoeligheid van NIRSpec, gecombineerd met de gravitationele versterking van Abell 2744", concludeert Atek, "zorgde ervoor dat we deze sterrenstelsels uit de eerste miljard jaar van het heelal gedetailleerd konden identificeren en bestuderen, ondanks dat ze meer dan 100 keer zwakker zijn dan onze eigen Melkweg."

Ondanks het succes van de resultaten, benadrukken de onderzoekers dat er nog veel werk te doen is. Men mag niet vergeten dat hun bevindingen gebaseerd zijn op observaties die ze hebben gedaan in een enkel 'fragment' van het vroege heelal. De volgende stap is dan ook om te verifiëren of deze populatie dwergsterrenstelsels daadwerkelijk representatief is voor de grootschalige distributie van vergelijkbare sterrenstelsels in het vroege heelal, of dat het juist iets is dat uitsluitend voorkomt in zeer dichte gebieden, zoals het onlangs bestudeerde gebied.

Om daarachter te komen, plant het team een ​​toekomstig Webb-observatieprogramma met de naam GLIMPSE, dat de diepste observaties ooit van de hemel zal uitvoeren. Door ons te richten op een andere cluster van sterrenstelsels, Abell S1063, zullen we dankzij het eerder genoemde zwaartekrachtlensfenomeen nog zwakkere en verder weg gelegen sterrenstelsels kunnen identificeren tijdens het reïonisatietijdperk. Deze waarnemingen bevestigen niet alleen de conclusies van dit onderzoek, maar helpen astronomen ook bij het verkennen van een periode die bekendstaat als de 'Kosmische Dageraad', toen het heelal slechts een paar miljoen jaar oud was. Hiermee kunnen we een beter begrip krijgen van een van de grootste mysteries van de kosmos: hoe de eerste sterrenstelsels ontstonden.