De kosmische ”Donkere Eeuwen”

De eerste waterstof die geabsorbeerd licht vormde van de eerste sterren in het heelal. Uiteindelijk vulde het heelal zich met sterren en sterrenstelsels die deze waterstof reïoniseerden, waardoor fotonen vrijelijk in alle richtingen konden reizen.

De “kosmische donkere eeuwen” verwijzen naar een periode in het vroege heelal waar lichtbronnen waren verborgen in een dichte mist van neutraal waterstofgas. Hoewel licht nu in alle richtingen door het heelal kan reizen, waardoor het transparant wordt, was het vroege heelal gehuld in waterstof, dat het licht absorbeerde dat werd uitgezonden door de eerste sterren en stralingsbronnen.

Gedurende de eerste 380.000 jaar na de oerknal bestond alle materie en energie als een extreem hete, dichte uitdijende bal van geïoniseerd plasma. Op dit punt verhinderden botsingen tussen subatomaire deeltjes in deze energierijke soep dat de deeltjes elektronen konden verwerven om stabiele atomen te vormen. Toen het heelal echter voldoende was uitgedijd en afgekoeld, konden subatomaire deeltjes elektronen verwerven om neutrale waterstofatomen te vormen en begonnen de kosmische donkere eeuwen.

Toen er eenmaal genoeg sterren waren geboren, ioniseerde het ultraviolette licht dat ze produceerden uiteindelijk alle waterstof in de interstellaire ruimte, waardoor fotonen vrij in alle richtingen door het heelal konden reizen, zonder te worden geabsorbeerd of verstrooid door neutraal waterstof. Door een combinatie van simulaties en observaties hebben astrofysici geschat dat de kosmische donkere eeuwen 380.000 jaar na de oerknal begonnen. De processen waarvan men denkt dat ze een einde hebben gemaakt aan de kosmische donkere eeuwen, begonnen ongeveer 680 miljoen jaar na de oerknal en eindigden ongeveer 1,1 miljard jaar na de oerknal.

Wetenwaardigheden kosmische donkere eeuwen

Hoe lang duurden de kosmische donkere eeuwen?

Hoewel algemeen wordt aangenomen dat de kosmische donkere eeuwen 380.000 jaar na de oerknal begonnen, toen de eerste neutrale waterstofatomen ontstonden, is het exacte tijdstip waarop deze periode eindigde nog steeds onderwerp van discussie. De processen van reïonisatie, waarbij massieve vroege sterren in het heelal ultraviolet licht de kosmos instuurden, duurden waarschijnlijk enkele miljoenen jaren, omdat steeds meer sterren uit de kosmische duisternis tevoorschijn kwamen. Waarnemingen van vroege sterrenstelsels hebben gesuggereerd dat het begin van de ionisatie ongeveer 680 miljoen jaar na de oerknal begon, terwijl de volledige ionisatie van het zichtbare heelal waarschijnlijk ongeveer 1,1 miljard jaar na de oerknal werd voltooid.

Wat is de donkere eeuw van het heelal?

De uitdrukking “donkere eeuwen” van het heelal verwijst naar een fase van het vroege heelal toen het bedekt was met duisternis. In het vroege heelal kon ultraviolet licht niet vrijelijk lange afstanden afleggen want het werd geabsorbeerd en verstrooid door dichte wolken van neutrale waterstofatomen.

Wat maakte een einde aan de kosmische donkere eeuwen?

Het einde van de kosmische donkere eeuwen was een geleidelijk proces. Dichtere gebieden met neutraal waterstofgas in het vroege heelal stortten uiteindelijk door de zwaartekracht in en vormden massieve sterren – de eerste sterren in het heelal. Deze sterren stuurden grote hoeveelheden ultraviolet licht naar het nabije heelal, maar pas toen er in het vroege heelal sterren en protostelsels in overvloed aanwezig waren, werd er voldoende ultraviolet licht de ruimte in gezonden om al het neutrale waterstof in de interstellaire ruimte volledig te ioniseren.

De opkomst van waterstof

Het begin van de kosmische donkere eeuwen werd ingeluid door de opkomst van waterstof in het heelal. De oerknal was heet. Maar zodra het dichte plasma van protonen, elektronen en andere subatomaire deeltjes voldoende ruimte kreeg om af te kolen als gevolg van de uitdijing van het heelal, konden deze elektronen en protonen samenkomen om atomen te worden, ze deden dit in de vorm van veel waterstof en een beetje helium.

Hoewel de galactische overvloed aan waterstof uiteindelijk de eerste sterren en sterrenstelsels heeft voortgebracht, heeft de absorptie van verschillende lichtfrequenties op het elektromagnetische spectrum door deze oerwaterstof het opgroeiende heelal ondoorzichtig gemaakt.

Although the galactic abundance of hydrogen eventually seeded the first stars and galaxies, this primordial hydrogen’s absorption of different frequencies of light on the electromagnetic spectrum left the adolescent universe opaque.

Toen de fusieovens van de eerste sterren en sterrenstelsels zich echter over het hele heelal verspreidden, werd er voldoende hoogenergetische ultraviolette straling (fotonen) de interstellaire ruimte ingezonden om neutrale waterstofatomen van hun elektronen te ontdoen. In plaats van te worden geabsorbeerd door deze elektronendragende waterstofatomen, werden deze hoogenergetische fotonen nu in staat gesteld om grote afstanden af te leggen.

De eerste sterren en sterrenstelsels

Astronomen schatten dat de eerste sterren en sterrenstelsels in het heelal ontstonden tijdens de eerste 500 miljoen jaar van de kosmische geschiedenis. Deze vroege sterrenpopulaties waren verantwoordelijk voor de verspreiding van de eerste zware elementen in het heelal en voor het op gang brengen van het reïonisatieproces waardoor licht ongehinderd door de ruimte kon reizen.

De nabij-infraroodcamera’s van de Webb Space Telescope heeft astronomen ongekende toegang geboden om deze structuren in het vroege heelal waar te nemen en heeft voor een aantal verrassingen gezorgd. Waarnemingen in deze vroege sterrenstelsels laten zien dat ze aanzienlijk helderder zijn dan modellen voor het ontstaan van sterrenstelsels hadden voorspeld. Een verklaring is dat deze vroege sterrenstelsels bevolkt werden door extreem grote, zinderend hete sterren.

Terugkijken in de kosmische donkere eeuwen

Ons vermogen om waarnemingen te doen van het heelal zoals het bestond tijdens de kosmische donkere eeuwen wordt beperkt door een aantal duidelijke barrières. Ten eerste was het donker en werden lichtbronnen gehinderd door de dichte waterstofwolken uit die tijd. Astronomen en kosmologen denken echter dat we op een dag misschien wel wat licht uit deze periode in het vroege heelal zullen kunnen waarnemen, namelijk radiogolven die worden uitgezonden door waterstofgas.

Radiogolven van deze omvang kunnen alleen vanuit de ruimte worden waargenomen, ze worden namelijk door de atmosfeer van de Aarde geblokkeerd. Op een dag zou een sterrenwacht op de Maan echter terug kunnen kijken naar een tijd waarin het heelal er aanzienlijk anders uitzag dan nu. Astronomen hebben aangetoond dat een radiosterrenwacht op de Maan een verleidelijke blik kan werpen op de kosmische donkere eeuwen.

Eerste publicatie: 19 februari 2024