Astronomen hebben een nieuwe methode gevonden om de eigenschappen van de allereerste sterren in het heelal te bepalen.
Het heelal was ooit een donkere kamer. De eerste oersterren, geboren uit de eenvoudige elementen waterstof en helium, waren de pioniers die dit donkere tijdperk van het heelal beëindigden en de kosmische dageraad inluidden. Maar hoe kun je iets bestuderen dat te ver weg en te zwak is om met een telescoop te zien? Wetenschappers hebben daar een oeroud radiosignaal voor gebruikt.
De pioniers van het heelal
Deze eerste generatie sterren, ook wel sterren van populatie III genoemd, verscheen enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal. Anders dan de sterren die nu aan de hemel schitteren, bestonden ze alleen uit waterstof en helium, zonder zwaardere elementen. Ze waren echter cruciaal voor de evolutie van het heelal: hun straling ioniseerde het gas om hen heen en ze produceerden de eerste zware elementen, zoals koolstof en zuurstof, die later planeten en zelfs ons eigen bestaan mogelijk maakten. Maar omdat hun licht meer dan 13 miljard jaar onderweg is geweest en inmiddels te zwak is om op te vangen, bleven deze sterren tot nu toe ongrijpbaar.
21-centimeter signaal
De sleutel is het zogenoemde 21-centimeter signaal. Dit radiosignaal komt van waterstofatomen, die in het vroege heelal overal aanwezig waren. Wanneer zo’n atoom van spin-toestand verandert, zendt het een radiogolf uit met een golflengte van 21 centimeter. Dit signaal vertelt ons hoe het waterstofgas eruitzag en hoe het werd beïnvloed door de sterren van toen.
Röntgenstraling
Onderzoekers ontdekten dat dit signaal verrassend gevoelig is voor de massa van de eerste sterren. Röntgenstraling speelt daarbij een grote rol. Die straling komt van dubbelstersystemen, paren van sterren waarvan er een is geëvolueerd tot een zwart gat of een neutronenster. Deze systemen, ontstaan uit de eerste sterren, verhitten het gas tussen de sterren, wat weer invloed heeft op hoe het 21-centimeter signaal eruitziet. Of de eerste sterren vooral licht of juist heel zwaar waren, maakt dus een groot verschil.
De wetenschappers gebruikten computersimulaties om te achterhalen hoe dit werkt. Ze bouwden virtuele universums waarin ze speelden met verschillende massa-verdelingen: soms veel lichte sterren, soms vooral zware. Wat bleek? De röntgenhelderheid verschilde enorm, tot wel 257 keer, afhankelijk van het type sterren. Maar miljoenen scenario’s nabootsen kost te veel tijd. Daarom trainden ze neurale netwerken om patronen in de simulaties te herkennen. Zo konden ze xtesten hoe het signaal veranderde bij verschillende sterrenpopulaties.
Toekomstige oren aan de hemel
Met deze kennis kijken de onderzoekers vooruit. Twee nieuwe radiotelescopen, REACH en SKA-Low, kunnen dit signaal straks opvangen. REACH heeft een gevoeligheid van 25 millikelvin; dat is zo precies dat het lijkt op het meten van een haarbreedte op kilometers afstand. SKA-Low kan na 3.000 uur waarnemen (dat is ruim vier maanden non-stop!) dezelfde nauwkeurigheid halen. Samen kunnen ze met grote zekerheid vaststellen hoe de massa van de eerste sterren verdeeld was. Maar er is een catch: als we de verkeerde verdeling aannemen, kan dat onze kijk op het vroege heelal net vertroebelen.
Verder dan de sterren
De ontdekking kan ook helpen om de beelden van de ruimtetelescoop James Webb beter te begrijpen, die verre sterrenstelsels laat zien uit de tijd kort na de kosmische dageraad. Het kan ook licht werpen op zwaartekrachtsgolven van oude zwarte gaten.
