Het universum is een immer uitdijend geheel, dat ooit piepklein is begonnen met maar een paar sterren. Een vraag die astronomen nog altijd bezighoudt is: hoe zwaar waren die eerste oersterren? Taiwanese wetenschappers hebben met behulp van een Amerikaanse supercomputer nu flinke vooruitgang geboekt met berekeningen daarvan.
Vlak na de Big Bang bestond er alleen waterstof en helium. In de vroegste fases van het universum moesten cruciale bouwstenen voor leven, zoals koolstof en zuurstof, nog hun opwachting maken. Zo’n 200 miljoen jaar later begonnen de eerste sterren zich te vormen.
Fundering voor leven
Deze Populatie III- of Pop III-sterren, zoals ze zijn gedoopt, leidden uiteindelijk tot het ontstaan van zwaardere elementen door nucleaire verbranding in hun kern. Tegen het eind van hun levenscyclus veranderden sommigen van die eerste sterren in supernova’s. De krachtige explosies die daarbij ontstonden, zorgden voor de verspreiding van nieuwe elementen in het vroege universum, die de fundering voor leven zouden gaan vormen.
Het type supernova dat in die tijd ontstond, hing af van de massa van de eerste ster bij zijn ondergang. Zo ontstonden verschillende chemische patronen. Observaties van extreem metaalarme sterren, die gevormd werden na de eerste sterren en hun supernova’s, waren eerder cruciaal voor de schatting van de massa van de eerste sterren. Op basis van de grote hoeveelheid metaalarme sterren werd geraamd dat die eerste sterren een massa hadden vergelijkbaar met twaalf tot zestig zonnemassa’s.
Gat tussen simulatie en observatie
Eerdere kosmologische simulaties suggereerden echter een topzware en breed verspreide massa van de eerste sterren, variërend van vijftig tot duizend zonnemassa’s. Deze grote discrepantie tussen de simulaties en observaties is al zeker tien jaar een raadsel voor astronomen.
Om tot een oplossing te komen, zijn twee wetenschappers uit Taiwan aan de slag gegaan met de krachtige supercomputer van het Berkeley National Lab. Ze zijn erin geslaagd om voor het eerst ooit een hydrodynamische 3D-simulatie in hoge resolutie te ontwikkelen van de turbulente stervormende wolken, die aan de eerste sterren voorafgingen.
Turbulentie bij stervorming
De resultaten zijn bijzonder: supersonische turbulentie, oftewel extreme chaotische bewegingen, zorgde ervoor dat de stervormende wolken in verschillende hopen uiteenvielen, ieder met een dichte kern van 22 tot 175 zonnemassa’s. Daaruit zijn de eerste sterren gevormd met een massa van 8 tot 58 zonnemassa’s en dat komt wél overeen met de observaties.
Bovendien kunnen de onderzoekers vergelijkbare resultaten reproduceren uit eerdere simulaties, ook als de turbulentie zwakker is. Dit resultaat laat het belang zien van turbulentie bij de eerste stervorming en biedt een veelbelovende manier om de theoretische schaal van de massa van de eerste sterren te verkleinen. Ook is nu eindelijk de discrepantie tussen de simulaties en de observaties opgelost, waardoor er een stevig theoretisch fundament ontstaat voor de vorming van de eerste sterren.
Hoewel we het niet zeker weten, gaan we ervan uit dat het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden is ontstaan uit een zogenoemde singulariteit, een heel heet punt met een bijna oneindige dichtheid. Deze singulariteit voldeed niet aan de bekende natuurwetten en ruimte en tijd bestonden er niet. Na de Big Bang ontstonden ruimte en tijd en begon de uitdijing van het heelal en daar zitten we nu nog middenin. In die begintijd van het universum was het pikdonker. Pas na zo’n 200 miljoen jaar begonnen de eerste sterren zich te vormen. Deze eerste generatiesterren worden Populatie III-sterren genoemd. Ze ontsproten uit oerwolken van waterstof en helium met sporen van lithium. Al na een paar miljoen jaar ontploften ze en werden supernova’s. Alle zwaardere chemische elementen, zoals stikstof, koolstof, zuurstof en ijzer, zijn in de kern van deze en latere sterren gevormd. Pas in 2015 vond de Very Large Telescope van ESA bewijs voor het bestaan van deze oersterren, waarvoor tot dan toe enkel theoretische argumenten bestonden.
