De kwestie wordt steeds raadselachtiger. Want nu blijkt de stellaire massa van deze eigenaardige sterrenstelsels nog eens tien keer (!) groter te zijn.
Als je het nieuws over de James Webb telescoop een beetje hebt gevolgd, heb je waarschijnlijk gehoord van de ‘onmogelijke ontdekking’. Een paar maanden geleden vonden astronomen namelijk een zestal sterrenstelsels die heel vroeg in het universum al zo massief waren, dat ze volgens de huidige kosmologische theorieën niet zouden moeten bestaan. Ze zijn simpelweg veel te zwaar. En het mysterie wordt nu nóg raadselachtiger. Want ondanks dat astronomen nu al paf staan, stelt een nieuwe analyse dat de grootte van deze ‘onmogelijk zware sterrenstelsels’ misschien ook nog eens is onderschat.
Zes sterrenstelsels
Even terug naar het begin. Sinds de eerste beelden van James Webb zijn vrijgegeven, hebben astronomen steeds verder weg gelegen sterrenstelsels kunnen bestuderen. Verontrustend genoeg leken verschillende sterrenstelsels ‘te massief’. Afgelopen februari stuitten onderzoekers bijvoorbeeld op zes sterrenstelsels die zo’n 500 tot 700 miljoen jaar na de oerknal – of zo’n 13 miljard jaar geleden – bestonden. Onderzoekers hadden verwacht op dat moment alleen nog kleine, jonge babystelsels te vinden. Maar in plaats daarvan vonden ze sterrenstelsels die er net zo volwassen uitzien als ons eigen stelsel. En dat in ‘de dageraad’ van het universum! Volgens het momenteel geaccepteerde ΛCDM-model (zie kader) hadden deze sterrenstelsels simpelweg niet de tijd moeten hebben om zoveel sterren te vormen. De ontdekking tart dan ook de huidige ideeën over de oorsprong van sterrenstelsels en ons begrip van het universum.
Het ΛCDM-model – uitgesproken als Lambda-CDM – is momenteel het beste model dat we hebben om de structuur en evolutie van ons universum te beschrijven. Het model is gebaseerd op één van de best geteste theorieën in de natuurkunde, namelijk de algemene relativiteitstheorie, die beschrijft hoe materie de ruimte beïnvloedt en hoe de ruimte materie beïnvloedt. In dit model wordt aangenomen dat het heelal voornamelijk bestaat uit een onbekende substantie die bekend staat als donkere energie – aangeduid met de Griekse letter Λ – en ‘koude’, donkere materie – CDM -, waarbij ‘koud’ betekent dat het niet snel beweegt. Dankzij het ΛCDM-model hebben astronomen een tal van verschijnselen succesvol kunnen beschrijven en voorspellen. Maar, we weten nog altijd niet wat donkere materie en donkere energie is. En we weten ook dat de algemene relativiteitstheorie, ondanks het succes ervan, geen volledige theorie is. Onderzoekers verwachten dan ook dat ΛCDM-model uiteindelijk zal worden uitgebreid of vervangen door een betere theorie.
Op dit moment wordt de stellaire massa van een sterrenstelsel vaak geschat door de hoeveelheid licht te meten dat door het sterrenstelsel wordt uitgestraald. Vervolgens berekenen onderzoekers hoeveel sterren er nodig zijn om deze hoeveelheid licht uit te stralen.
Nieuwe analyse
Maar in een nieuwe analyse gooide onderzoeker Clara Giménez Arteaga het over een andere boeg. In haar studie, gepubliceerd in Astrophysical Journal, bestudeerde ze vijf sterrenstelsels die eerder met James Webb zijn waargenomen. En in plaats van elk sterrenstelsel te beschouwen als één grote ‘klodder’ licht (zoals de gebruikelijke methode voorschrijft), zag zij elk sterrenstelsel als een samenklontering van meerdere klompen licht. “We hebben de massa van sterren berekend op basis van de beelden die James Webb heeft gemaakt,” legt Giménez Arteaga uit. “Maar dit deden we niet door naar het hele sterrenstelsel te kijken, maar door elke afzonderlijke pixel op de beelden te bestuderen.”
Pixel voor pixel
Kortom, om de totale stellaire massa te bepalen, berekende Giménez Arteaga de massa van elke pixel en telde vervolgens alle afzonderlijke stellaire massa’s bij elkaar op. In principe zou je verwachten dat de resultaten, linksom of rechtsom, hetzelfde zouden zijn. Maar dat zijn ze niet. In feite blijken de afgeleide stellaire massa’s van de vijf bestudeerde sterrenstelsels nu maar liefst 10 keer (!) groter te zijn.
Het betekent dat de ‘onmogelijk zware sterrenstelsels’ die James Webb heeft gespot, nu zelfs nóg zwaarder zijn dan eerder gedacht. Het maakt de kwestie nog een tikkie ingewikkelder dan deze al was. Maar waar ligt het opmerkelijke verschil precies aan?
Verklaring
Giménez Arteaga denkt het mysterie te kunnen verklaren. “Stellaire populaties bestaan enerzijds uit kleine en zwakker sterren en anderzijds uit heldere, massieve sterren,” legt ze uit. “Als we alleen naar het gecombineerde, uitgestraalde licht kijken, verdwijnen de zwakkere sterren volledig in het uitgestraalde licht van de heldere sterren, waardoor ze onopgemerkt blijven. Uit onze analyse blijkt dat de heldere, stervormende klonten dus het dominantst zijn. Maar juiste de kleine sterren nemen het grootste deel van de totale massa op zich.”
De stellaire massa is één van de belangrijkste eigenschappen die wordt gebruikt om een sterrenstelsel te karakteriseren. Maar blijkbaar weten we nog steeds niet hoe we deze voor de meest afgelegen en zwakkere stelsels moeten berekenen. Giménez Arteaga geeft de moed echter niet op. “Andere studies die sterrenstelsels uit latere tijdperken hebben bestudeerd, hebben deze discrepantie ook gevonden,” zegt ze. “Als we kunnen bepalen hoe groot het verschil in deze eerdere tijdperken is, en we kunnen dit vervolgens kwantificeren, zullen we hopelijk de stellaire massa van verre sterrenstelsels beter kunnen berekenen. En dat is één van de belangrijkste uitdagingen bij het bestuderen van sterrenstelsels in het vroege heelal.”
