Helderste verre sterrenstelsel

De zware, heldere en voorheen zuiver theoretische objecten hebben de eerste zware elementen in de kosmische geschiedenis geproduceerd - de elementen die nodig waren voor de vorming van de ons omringende sterren, de planeten die daaromheen draaien en het leven zoals wij dat kennen. Het nu ontdekte sterrenstelsel, dat de aanduiding CR7 heeft gekregen, is drie keer helderder dan het helderste verre sterrenstelsel dat tot nu toe bekend was.

Oersterren

Astronomen vermoeden al heel lang dat er een eerste generatie van sterren moet zijn - de zogeheten populatie-III-sterren - die is voortgekomen uit de materie die bij de oerknal is ontstaan. Dat betekent dat deze oersterren uit slechts drie elementen bestaan: waterstof, helium en sporen van lithium. Alle zwaardere chemische elementen - zoals zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer, die cruciaal zijn voor leven - zijn in het inwendige van deze en latere sterren gevormd.

De kolossale populatie-III-sterren zouden honderden tot duizend keer zwaarder zijn geweest dan de zon en ziedend heet, en na ongeveer twee miljoen jaar als supernova zijn geexplodeerd. Maar tot nu toe was er geen hard bewijs voor hun bestaan gevonden.

800 miljoen jaar na de oerknal

Een team astronomen, onder leiding van David Sobral van de Sterrewacht Leiden en het Instituut voor Astrofysica en Ruimteonderzoek van de Universiteit van Lissabon, Portugal, heeft nu ESO's Very Large Telescope (VLT) gebruikt om diep het heelal in te kijken, naar een periode ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal.

Ruime blik

Daarbij beperkten ze zich niet tot een klein stukje hemel, maar verruimden ze hun blik tot de breedste survey van zeer verre sterrenstelsels die ooit is ondernomen. Bij dit omvangrijke onderzoek hebben de astronomen ook gebruik gemaakt van het W.M. Keck Observatory, de Subaru-telescoop en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA.

Uitzonderlijk helder

Het team ontdekte - en bevestigde - het bestaan van een aantal verrassend heldere, zeer jonge sterrenstelsels. Een daarvan, het stelsel CR7, viel daarbij op door zijn uitzonderlijke grote helderheid. Het is verreweg het helderste sterrenstelsel dat ooit in dit vroege kosmische stadium is waargenomen.

Geen zware elementen

Met het opsporen van CR7 en andere heldere sterrenstelsels was het onderzoek al een succes, maar nadere inspectie heeft nog een verrassende ontdekking opgeleverd. De VLT-instrumenten X-shooter en SINFONI ontdekten sterk geioniseerde heliumemissie in CR7, maar opvallend genoeg bleek een helder gebied in het stelsel bovendien geen sporen van zware elementen te vertonen. Dit betekent dat het team het eerste goede bewijs heeft gevonden dat het jonge stelsel populatie-III-sterren bevat die bezig zijn om het gas in hun omgeving te ioniseren.

'Veel spannender dan dit kan wetenschap niet worden'

`De ontdekking van zo'n helder sterrenstelsel overtrof onze verwachtingen direct al,' zegt David Sobral. `Maar toen we de eigenschappen van CR7 stukje bij beetje uitplozen, begonnen we ons te realiseren dat we niet alleen het verreweg helderste verre sterrenstelsel hadden ontdekt, maar dat dit ook de kenmerken vertoont die je van populatie-III-sterren verwacht. Deze sterren hebben de eerste zware atomen gevormd die uiteindelijk ons bestaan mogelijk hebben gemaakt. Veel spannender dan dit kan wetenschap niet worden.'

Geboortegolven

Binnen CR7 zijn zowel blauwere als wat rodere gebieden ontdekt. Dat wijst erop dat de vorming van populatie-III-sterren - zoals al was voorspeld - in golven heeft plaatsgevonden. Wat het team heeft waargenomen is de laatste golf van populatie-III-sterren, en dat geeft aan dat zulke sterren makkelijker op te sporen zijn dan tot nog toe werd aangenomen: ze verschuilen zich tussen normale sterren in heldere sterrenstelsels, en niet alleen in de vroegste, kleinste en zwakste stelsels, die uiterst moeilijk waarneembaar zijn.

Ontstaan van elementen

Jorryt Matthee, coauteur van het onderzoeksartikel, concludeert: `Ik heb me altijd al afgevraagd waar we vandaan komen. Als kind al wilde ik weten hoe de elementen zijn ontstaan: het calcium in mijn botten, de zuurstof die ik inadem, het ijzer in mijn bloed. Ik kwam erachter dat deze voor het eerst werden geproduceerd in de prille begintijd van het heelal, door de eerste generatie van sterren. Met deze opmerkelijke ontdekking beginnen we deze objecten voor het eerst ook echt te zien.'

Geplande waarnemingen met de VLT, ALMA Hubble moeten het definitieve bewijs leveren dat nu inderdaad populatie-III-sterren zijn ontdekt, en meer voorbeelden daarvan opleveren.