Dankzij de ruimtetelescoop konden onderzoekers maar liefst 40 afzonderlijke sterren bestuderen in een sterrenstelsel op een verbluffende afstand van 6,5 miljard lichtjaar van de aarde.
Het afzonderlijk waarnemen van sterren in een sterrenstelsel halverwege het waarneembare heelal wordt in de astronomie als vrijwel onmogelijk beschouwd. Dit zou net zo onwaarschijnlijk zijn als met een verrekijker naar de maan kijken en hopen stofkorrels in de kraters te zien. Toch is het een internationaal team van astronomen gelukt om dit ondenkbare te bereiken.
Dragon Arc
Met behulp van ruimtetelescoop James Webb onderzocht onderzoeker Fengwu Sun van het Center for Astrophysics van Harvard samen met zijn team een sterrenstelsel op maar liefst 6,5 miljard lichtjaar van de aarde, dat bekend staat als Dragon Arc. Dit sterrenstelsel dateert uit een tijd waarin het heelal nog maar half zo oud was als nu. In dit verre stelsel ontdekten ze 44 afzonderlijke sterren, zichtbaar dankzij zwaartekrachtlenzen én de indrukwekkende kracht van Webb.
Baanbrekende ontdekking
De ontdekking, gepubliceerd in Nature Astronomy, is een recordbrekende prestatie: zo onthulde de studie het grootste aantal individuele sterren dat ooit in het verre heelal is waargenomen. “De baanbrekende ontdekking bewijst voor het eerst dat het mogelijk is om een groot aantal individuele sterren in een ver sterrenstelsel te bestuderen”, zegt Sun. “Eerdere onderzoeken met ruimtetelescoop Hubble vonden slechts zeven sterren. Maar nu kunnen we sterren waarnemen die voorheen buiten ons bereik lagen.”
Afzonderlijke sterren
Dit is inderdaad indrukwekkend. De meeste sterrenstelsels, zoals onze Melkweg, bevatten tientallen miljarden sterren. In nabije stelsels zoals Andromeda kunnen astronomen sterren één voor één observeren. Maar in stelsels die zich miljarden lichtjaren verderop bevinden, lijken de sterren vaak één enkele lichtvlek te zijn, omdat hun licht miljarden jaren nodig heeft om ons te bereiken. Dit vormt een langdurige uitdaging voor wetenschappers die de vorming en evolutie van sterrenstelsels onderzoeken. “Voor ons lijken sterrenstelsels die op grote afstand liggen meestal op vage, diffuse vlekken”, legt onderzoeksleider Yoshinobu Fudamoto uit. “Maar in werkelijkheid bestaan deze vlekken uit ontelbare afzonderlijke sterren, die we alleen niet kunnen onderscheiden met onze telescopen.”
Zwaartekrachtlenzen
Maar recente doorbraken in de astronomie hebben nieuwe mogelijkheden geopend door gebruik te maken van zwaartekrachtlenzen – een natuurlijk vergrotingseffect veroorzaakt door de intense zwaartekrachtsvelden van enorme objecten (zie kader). Zoals Albert Einstein voorspelde, kunnen zwaartekrachtlenzen het licht van verre sterren honderden of zelfs duizenden keren versterken, waardoor ze zichtbaar worden voor gevoelige instrumenten zoals Webb.
Een zwaartekrachtlens fungeert als een kosmisch vergrootglas, dat het licht van verre objecten afbuigt. In tegenstelling tot een gewoon vergrootglas, dat licht buigt door een krom oppervlak, creëert een zwaartekrachtlens een kromming in de ruimte-tijd zelf, waardoor we verre objecten kunnen zien. Stel je voor dat twee sterrenstelsels zich achter elkaar bevinden, gezien vanaf de aarde. Het ene sterrenstelsel ligt op vijf miljard lichtjaar afstand, het andere op acht miljard lichtjaar. Het licht van het verre stelsel reist langs het voorgrondstelsel en wordt afgebogen en versterkt, waardoor het voor ons zichtbaar wordt.
Het bestudeerde sterrenstelsel, Dragon Arc, bevindt zich – gezien vanaf de aarde – achter de massieve sterrenstelselscluster Abell 370. Het zwaartekrachtlenzeneffect zorgt ervoor dat Abell 370 de spiraalvorm van de Dragon Arc uitstrekt tot een langgerekte vorm, als een kosmische spiegelzaal. “Toen we de individuele sterren ontdekten, waren we oorspronkelijk op zoek naar een achtergrondstelsel dat vergroot werd door de lenswerking van de sterrenstelsels in deze enorme cluster”, vertelt Sun. “Maar toen we de data analyseerden, zagen we ineens een groot aantal afzonderlijke lichtpunten. Het was een opwindende ontdekking, omdat we voor het eerst zoveel afzonderlijke sterren op zo’n grote afstand konden zien.”
Kleuren
Het onderzoeksteam bestudeerde de kleuren van de sterren in de Dragon Arc. Op die manier ontdekten ze dat veel van deze sterren rode superreuzen zijn, zoals Betelgeuze in het sterrenbeeld Orion, die zich in de laatste fase van hun leven bevinden. Dit verschilt van eerdere ontdekkingen, die vooral blauwe superreuzen zoals Rigel en Deneb identificeerden, die tot de helderste sterren aan de nachtelijke hemel behoren. De onderzoekers wijzen erop dat dit verschil in stertypes de unieke kracht van Webb-waarnemingen bij infrarode golflengten benadrukt, die sterren met lagere temperaturen zichtbaar maken.
Rode superreuzen
Sun kijkt er vooral naar uit om deze rode superreuzen verder te onderzoeken. “We weten meer over rode superreuzen in onze eigen buurt van het heelal, omdat ze dichterbij zijn”, zegt hij. “Dit stelt ons in staat om gedetailleerdere beelden en spectrale gegevens te verkrijgen, en soms zelfs de sterren afzonderlijk waar te nemen. De kennis die we hebben opgedaan uit het bestuderen van rode superreuzen in de buurt van ons sterrenstelsel, kunnen we nu gebruiken om te begrijpen wat er met deze sterren gebeurt in de vroege fasen van sterrenstelselvorming in toekomstige studies.”
Daarnaast zullen toekomstige waarnemingen met Webb naar verwachting nog meer vergrote sterren vastleggen in de Dragon Arc. Deze inspanningen kunnen leiden tot gedetailleerde studies van honderden sterren in verre sterrenstelsels. Bovendien kunnen observaties van individuele sterren ons nieuwe inzichten geven in de structuur van zwaartekrachtlenzen en zelfs een glimp bieden van de mysterieuze aard van donkere materie.
