De bevindingen tonen aan dat sterren in het vroege heelal veel sneller werden gevormd dan verwacht, wat de bestaande kosmische modellen uitdaagt.
Onderzoekers hebben drie extreem zware sterrenstelsels gevonden, elk bijna even massief als de Melkweg, die zich al binnen het eerste miljard jaar na de oerknal hadden gevormd. De onverwachte ontdekking, die in het tijdschrift Nature is beschreven, is te danken aan – hoe kan het ook anders – ruimtetelescoop James Webb. “Onze bevindingen veranderen hoe we sterrenstelselvorming in het vroege heelal begrijpen”, aldus hoofdauteur Mengyuan Xiao.
ELG’s
In de studie bestudeerden de onderzoekers emissielijn-sterrenstelsels (ELG’s) die zich bevonden in de eerste miljard jaar van het heelal. ELG’s hebben sterke emissielijnen in hun spectra (een spectrum is het bereik van verschillende golflengten van licht). Deze emissielijnen verschijnen als heldere lijnen op specifieke golflengten, die sterk afsteken tegen de donkerder achtergrond van het spectrum. Door de emissielijnen konden de onderzoekers de afstanden naar de sterrenstelsels in de steekproef nauwkeurig bepalen. Met deze afstanden en de sterkte van de emissielijnen konden ze vervolgens betrouwbaar de hoeveelheid sterren in de sterrenstelsels meten. Drie sterrenstelsels vielen op door hun hoge sterreninhoud.
Drie Rode Monstertjes
Het blijkt te gaan om drie onverwacht massieve sterrenstelsels, met een sterrenmassa vergelijkbaar met die van de huidige Melkweg. Deze sterrenstelsels vormen bijna twee keer zo snel sterren als andere sterrenstelsels uit dezelfde periode of latere tijdsperioden. Door hun hoge stofgehalte, dat ze een opvallend rode kleur geeft in de door James Webb vervaardigde beelden, worden ze de drie Rode Monstertjes genoemd.
Raadsel
De onderzoekers weten nog niet hoe het mogelijk is dat het jonge heelal al zulke enorme sterrenstelsels bevatte. “Het ontdekken van drie van zulke massieve ‘beesten’ in de steekproef is een intrigerend raadsel”, zegt professor Stijn Wuyts, verbonden aan de Universiteit van Bath. “Veel processen in de evolutie van sterrenstelsels beperken hoe efficiënt gas in sterren kan worden omgezet. Maar op de een of andere manier lijken de drie Rode Monstertjes de meeste van deze hindernissen snel te hebben overwonnen.”
Donkere materie
Tot nu toe dacht men dat sterrenstelsels zich geleidelijk vormden binnen grote halos van donkere materie, die gas (atomen en moleculen) in zwaartekrachtgebonden structuren vangen. Meestal wordt slechts 20 procent van dit gas omgezet in sterren.
Peuter
De nieuwe bevindingen dagen deze veronderstelling nu uit. Ze suggereren dat massieve sterrenstelsels in het vroege heelal veel sneller en efficiënter kunnen groeien dan eerder werd aangenomen. Overigens is het niet voor het eerst dat onderzoekers op verbazingwekkend massieve sterrenstelsels in het vroege heelal stuiten. “De vraag over de aanwezigheid van ‘onmogelijk’ massieve sterrenstelsels kort na de oerknal houdt astronomen al bezig sinds de eerste beelden van de James Webb beschikbaar kwamen”, vertelt onderzoeker Ivo Labbé van de Swinburne University of Technology. “Het is te vergelijken met het vinden van een peuter die 100 kilo weegt. James Webb heeft nu aangetoond dat zulke monsters echt door het vroege heelal zwerven.”
Vraag
Hoewel de nieuwe bevindingen het standaard kosmologische model niet tegenspreken, roept het wel vragen op over de theorieën van sterrenstelselvorming. Vooral over de vraag waarom er in het vroege heelal al zoveel massieve sterrenstelsels waren. Huidige modellen moeten mogelijk rekening houden met specifieke processen die bepaalde vroege massieve sterrenstelsels in staat stelden om efficiënt sterren te vormen en zich daardoor snel te ontwikkelen, zelfs toen het heelal nog piepjong was. “Deze resultaten laten zien dat sterrenstelsels in het vroege heelal sterren konden vormen met een verrassende efficiëntie”, zegt Xiao. “Door deze sterrenstelsels verder te bestuderen, zullen ze ons nieuwe inzichten geven in de omstandigheden in de vroegste periodes van het heelal.”
Volgens Xiao markeert de vondst van de Rode Monstertjes slechts het begin van een nieuw tijdperk in onze verkenning van het vroege heelal. Toekomstige waarnemingen met de James Webb en de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) telescoop zullen hopelijk meer inzicht verschaffen in deze ultra-massieve sterrenstelsels en misschien wel meer soortgelijke objecten onthullen. “Wat astronomie zo bijzonder maakt, is dat we steeds weer verrast worden door nieuwe ontdekkingen”, merkt Wuyts op. “Al in de eerste jaren dat James Webb operationeel is, heeft de telescoop ons enkele onverwachte bevindingen gebracht. Op verschillende manieren heeft het ons laten zien dat sommige sterrenstelsels zich opmerkelijk snel ontwikkelen in de eerste hoofdstukken van de kosmische geschiedenis.”