Webb-gegevens suggereren dat oude sterrenstelsels metaalarm waren en vol gas zaten

Astronomen geloven dat de vroegste sterrenstelsels voortdurend gas aanzogen uit het uitgestrekte intergalactische medium.

In het begin hadden sterrenstelsels geen grote hoeveelheden chemische componenten en metalen. Dit zegt een team van astronomen dat onlangs een telescoop gebruikte om het oude heelal te bestuderen.

Hoewel de sterrenstelsels in de eerste kwart miljard jaar de regels leken te volgen die door jongere, eerder waargenomen sterrenstelsels waren opgesteld met betrekking tot de snelheid van stervorming en de stellaire massa, hadden ze slechts een kwart van de chemische abundantie die werd verwacht. Het onderzoek van het team naar de oude sterrenstelsels werd afgelopen week in Nature Astronomy gepubliceerd.

Het was alsof de sterrenstelsels regels hadden die ze volgden – maar verbazingwekkend genoeg lijken deze kosmische regels tijdens de kindertijd van het heelal een dramatische herziening te hebben ondergaan, aldus astronoom en coauteur Claudia Lagos van het International Center for Radio Astronomy Research (ICRAR) en het Cosmic Dawn Centre in Kopenhagen in een persbericht van de University of West-Australia.

Die telescoop was uiteraard de Webb Space Telescope, de 10 miljard dollar kostende telescoop die in december 2021 werd gelanceerd en sinds juli 2022 wetenschappelijke waarnemingen verricht. Webb observeert het heelal op infrarode en nabij-infrarode golflengtes, waardoor het een ideaal hulpmiddel is voor het bestuderen van het oudste licht dat we kunnen zien.

Hoe verder een telescoop in het heelal kijkt, hoe meer het licht dat hij ziet is uitgerekt (of “verschoven”) naar de rodere kant van het elektromagnetische spectrum. In de taal van astronomen is het licht dus “roodverschoven”. Dit uitrekken krijgt een nummer toegewezen, dat wetenschappers “z” noemen. Hoe groter het “z-getal”, hoe verder weg (en dus hoe ouder) het object is.

Tot voor kort, zo merkte het team op, konden de chemische abundanties van sterrenstelsels alleen betrouwbaar worden gemeten bij roodverschuivingen van z=3,3 of minder. Maar Webb stond het onderzoeksteam toe dergelijke hoeveelheden te meten bij roodverschuivingen van z = 7 – 10, oftewel tussen 500 miljoen jaar en 750 miljoen jaar na de Oerknal.

De onderzoekers gebruikten de verreikende blik van Webb om de snelheid van stervorming, stellaire massa’s en chemische abundanties van sterrenstelsels ter meten tijdens de eerste paar honderd miljoen jaar van het bestaan van het heelal.

De meest verrassende ontdekking was dat oude sterrenstelsels veel minder zware elementen produceerden dan men zou verwachten op basis van wat bekend is van sterrenstelsels die later zijn ontstaan. De vroege sterrenstelsels ontvingen voortdurend nieuw, ongerept gas uit hun omgeving waarbij de gasinstroom de zware elementen in de sterrenstelsels verdunde waardoor ze minder geconcentreerd werden.

De oude sterrenstelsels zijn niet eens de oudste die Webb ooit heeft gezien. Vorig jaar november ontdekte de telescoop twee sterrenstelsels met roodverschuivingen van ongeveer 10,25 en 12,5, wat overeenkomt met de leeftijd van Maisie’s Stelsel, een ander sterrenstelsel dat door Webb werd gevonden met een roodverschuiving van 11,8 oftewel een leeftijd van ongeveer 13,4 miljard jaar. Ons heelal is ongeveer 13,77 miljard jaar oud.

Een van de belangrijkste taken van Webb is het onderzoeken van deze oude sterrenstelsels, om te begrijpen hoe ze vorm kregen en evolueerden. Veel van de oude sterrenstelsels die Webb heeft gezien lijken verrassend volwassen, gezien hun voorkomen in een opkomend heelal.

Maar het nieuwe onderzoek geeft aan dat de sterrenstelsels nog steeds hun geheimen hebben – in dit geval een duidelijk gebrek aan zware elementen. Maar waarnemingen door Webb zouden kunnen helpen verklaren hoe deze sterrenstelsels vorm kregen, hoewel is het wel te verwachten dat er nog meer mysteries zullen ontstaan in de zoektocht van wetenschappers naar duidelijkheid.

Artikel: Dilution of chemical enrichment in galaxies 600 Myr after the Big Bang. Kasper E. Heintz, Gabriel B. Brammer, Clara Giménez-Arteaga, Victoria B. Strait, Claudia del P. Lagos, Aswin P. Vijayan, Jorryt Matthee, Darach Watson, Charlotte A. Mason, Anne Hutter, Sune Toft, Johan P. U. Fynbo & Pascal A. Oesch

Eerste publicatie: 27 september 2023
Bron: NASA/ESA/Gizmodo