Drie gaswolken ontdekt die door het sterven van de allereerste sterren voorgoed veranderd zijn

De ontdekking brengt ons een stap dichterbij het begrijpen van de aard van de eerste populatie sterren die na de oerknal het levenslicht zag.

Al tientallen jaren speuren astronomen ijverig de nachtelijke hemel af, op zoek naar sporen van de allereerste populatie sterren die het heelal verlichtten. Een ingewikkelde taak, aangezien deze sterren ondertussen allang verdwenen zijn. Een nieuwe studie, gepubliceerd in The Astrophysical Journal, is echter hoopgevend. Onderzoekers hebben namelijk drie veelbelovende, verre gaswolken ontdekt. En deze gaswolken blijken na analyse sporen te bevatten, achtergelaten door de explosies van de eerste sterren die na de oerknal ontstonden.

De allereerste sterren
Astronomen vermoeden dat de allereerste sterren in het heelal er heel anders uitzagen dan de sterren die we vandaag de dag aan de hemel zien schitteren. Toen ze zo’n 13,5 miljard jaar geleden ontstonden, bevatten ze alleen waterstof en helium – de eenvoudigste chemische elementen in de natuur. Deze eerste sterren waren massiever, helderder en heter dan hedendaagse sterren en er wordt aangenomen dat ze tientallen of zelfs honderden keren zoveel massa hadden als onze zon. Een lang leven was hen niet beschoren; mogelijk kwamen ze al na enkele honderdduizenden jaren aan hun einde. Ze explodeerden vervolgens als fraaie supernova’s, waarbij ze het omringende gas voor het eerst met zwaardere elementen verrijkten. Uit dit verrijkte gas werden latere generaties sterren geboren, die op hun beurt ook weer zwaardere elementen uitstootten toen zij stierven. Kortom, wij hebben ons leven mede te danken aan deze allereerste sterren die in korte tijd lichte elementen omzetten in zwaardere elementen. Zonder deze elementen waren wij er niet geweest.

Gaswolken
Niet voor niets zijn onderzoekers dus geïnteresseerd in die allereerste sterren in het heelal. Zoals gezegd zijn deze ondertussen echter allang verdwenen. Toch kunnen astronomen meer over hen te weten komen. “Oersterren laten zich indirect onderzoeken door de chemische elementen te detecteren die zij na hun dood in hun omgeving hebben verspreid,” legt onderzoeker Stefania Salvadori uit. Aan de hand van gegevens die met ESO’s Very Large Telescope (VLT) in Chili zijn verzameld, heeft het team nu drie zeer verre gaswolken ontdekt, die we waarnemen op een moment dat het heelal nog maar tien tot vijftien procent van zijn huidige leeftijd had. En het interessante is dat deze gaswolken bepaalde chemische ‘vingerafdrukken’ bevatten die overeenkomen met wat astronomen van de explosies van de eerste sterren verwachten.

Vingerafdruk
Over welke vingerafdrukken we het hebben? Zoals gezegd kwamen er bij de eerste supernova’s verschillende chemische elementen vrij, zoals koolstof, zuurstof en magnesium, die in de buitenste lagen van sterren voorkomen. Sommige van deze explosies waren echter niet krachtig genoeg om de omgeving te verrijken met nóg zwaardere elementen, zoals ijzer, dat in de kern van een ster voorkomt. In de huidige studie opende de onderzoekers de jacht op overblijfselen van deze laagenergetische explosies, om er zo zeker van te zijn dat het gevonden materiaal echt ongerept is. Het team zocht alleen naar verre gaswolken die arm zijn aan ijzer, maar rijk aan de overige elementen. En met succes: ze vonden drie verre wolken in het vroege heelal met heel weinig ijzer, maar met juist veel koolstof en andere elementen – de vingerafdruk van de explosies van de allereerste sterren. “Voor de allereerste keer hebben we de chemische sporen kunnen identificeren van de explosies van de eerste sterren in zeer verre gaswolken,” aldus onderzoeker Andrea Saccardi.

Tweede generatie sterren
Deze eigenaardige, chemische samenstelling is overigens ook al waargenomen bij veel oude sterren in ons eigen Melkwegstelsel die door onderzoekers als de tweede generatie sterren wordt beschouwd. Waarschijnlijk zijn deze sterren uit de ‘as’ van de eerste populatie verrezen. Bij het nieuwe onderzoek is dus soortgelijk as opgespoord in het vroege heelal. En daarmee is een ontbrekend stukje aan de puzzel toegevoegd. De ontdekking opent volgens de onderzoekers dan ook nieuwe wegen om indirect de aard van de eerste sterren te bestuderen, en vormt daarmee een belangrijke aanvulling op studies van sterren in ons Melkwegstelsel.

De onderzoekers kwamen de verre gaswolken op het spoor door quasars te bestuderen. Dit zijn hele heldere en krachtige energiebronnen, die worden aangedreven door superzware zwarte gaten die zich in het hart van verre sterrenstelsels ophouden. Wanneer het licht van een quasar een gaswolk bereikt, laten die elk hun eigen chemische vingerafdruk in het quasarlicht achter.

Dit diagram laat zien hoe astronomen de chemische samenstelling van verre gaswolken kunnen analyseren door het licht van een achtergrondobject, zoals een quasar, als baken te gebruiken. Wanneer het licht van de quasar door de gaswolk gaat, absorberen de daarin aanwezige chemische elementen verschillende golflengten, waardoor donkere lijnen in het spectrum van de quasar achterblijven. Elk element laat een andere reeks lijnen achter, dus door het spectrum te onderzoeken kunnen astronomen de chemische samenstelling van de tussenliggende gaswolk bepalen. Afbeelding: ESO/L. Calçada

Het team analyseerde gegevens van verschillende quasars die zijn waargenomen met het X-shooter-instrument waar de VLT mee uitgerust is. Dit instrument splitst licht in een extreem breed scala van golflengten (oftewel kleuren) wat ‘m bij uitstek geschikt maakt voor het identificeren van tal van chemische elementen in verre gaswolken.

Stap
De studie is een belangrijke stap voorwaarts. Want voor het eerst hebben astronomen restanten van die eerste, bijzondere populatie sterren gevonden in verre gaswolken. En daardoor gaan we ook de aard van de eerste sterren die na de oerknal het levenslicht zagen, steeds een beetje beter begrijpen.

Toch zijn astronomen nog niet verzadigd: de jacht op die eerste sterren gaat onvermoeibaar door. En waarschijnlijk gaat de volgende generatie telescopen en instrumenten, zoals de toekomstige Extremely Large Telescope (ELT), die uitgerust wordt met het geavanceerde instrument ANDES, daar een belangrijk steentje aan bijdragen. “Met ANDES op de ELT zullen we veel van deze zeldzame gaswolken in meer detail kunnen bestuderen,” stelt co-auteur Valentina D’Odorico. “En dan zullen we eindelijk de geheimzinnige aard van de eerste sterren kunnen blootleggen.”

Bronmateriaal

"Astronomen ontdekken verre gaswolken met restanten van de eerste sterren" - ESO
Afbeelding bovenaan dit artikel: ESO/L. Calçada, M. Kornmesser

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd