Met de tijd die van rechts naar links loopt, toont deze visualisatie de vorming van de eerste sterren uit een waas van neutrale waterstof na de kosmische dageraad van het universum.
(Afbeelding: © NASA / STScI)
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van Ask a Spaceman en Space Radio en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Misschien wel de grootste openbaring in de afgelopen honderd jaar van het bestuderen van het universum is dat ons huis met de tijd verandert en evolueert. En niet alleen op kleine, onbeduidende manieren, zoals bewegende sterren, samendrukkende gaswolken en massieve sterren die sterven in catastrofale explosies. Nee, onze hele kosmos heeft in het verre verleden meer dan eens zijn fundamentele karakter veranderd, waardoor zijn interne staat volledig is veranderd op een wereldwijde - dat wil zeggen universele - schaal.
Neem bijvoorbeeld het feit dat er ooit in het mistige, slecht herinnerde verleden geen sterren waren.
Voor het eerste licht
We kennen dit simpele feit vanwege het bestaan van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), een bad van zwakke maar aanhoudende straling dat het hele universum doordrenkt. Als je een willekeurig foton (een beetje licht) tegenkomt, is de kans groot dat het van de CMB komt - dat licht meer dan 99,99 procent van alle straling in het universum opneemt. Het is een overblijfsel van toen het heelal nog maar 270.000 jaar oud was en overging van een heet, kokend plasma naar een neutrale soep (zonder positieve of negatieve lading). Bij die overgang kwam witgloeiende straling vrij die in de loop van 13,8 miljard jaar afkoelde en zich uitstrekte tot in de microgolven, waardoor we het achtergrondlicht kregen dat we vandaag kunnen waarnemen. [Cosmic Microwave Background: Big Bang Relic Explained (Infographic)]
Ten tijde van de release van de CMB was het universum ongeveer een miljoenste van zijn huidige volume en duizenden graden warmer. Het was ook bijna geheel uniform, met dichtheidsverschillen niet groter dan 1 deel op 100.000.
Dus niet bepaald een staat waar sterren gelukkig zouden kunnen bestaan.
The Dark Ages
In de miljoenen jaren na de release van de CMB (liefkozend bekend als "recombinatie" in astronomiekringen, vanwege een historisch misverstand over zelfs eerdere tijdperken), verkeerde het universum in een vreemde toestand. Er was een aanhoudend bad van witgloeiende straling, maar die straling koelde snel af naarmate het universum zijn onverbiddelijke expansie voortzette. Er hing natuurlijk donkere materie rond om voor zijn eigen zaken te zorgen. En er was het nu neutrale gas, bijna volledig waterstof en helium, eindelijk vrijgekomen van zijn strijd met straling en vrij om te doen wat het wilde.
En wat hij graag deed, was zoveel mogelijk met zichzelf omgaan. Gelukkig hoefde het niet erg hard te werken: in het buitengewoon vroege universum werden microscopische kwantumfluctuaties vergroot tot slechts kleine verschillen in dichtheid (en waarom dat gebeurde, is een verhaal voor een andere dag). Deze kleine dichtheidsverschillen hadden geen invloed op de grotere kosmologische expansie, maar wel op de levens van die neutrale waterstof. Elke patch die iets dichter was dan gemiddeld - zelfs door een klein, klein beetje - had een iets sterkere aantrekkingskracht op de buren. Die verbeterde aantrekkingskracht moedigde meer gas aan om zich bij het feest aan te sluiten, wat de zwaartekrachtsleep versterkte, wat nog meer buren aanmoedigde enzovoort.
Als luide muziek op een huisfeest dat als een sirenenlied fungeerde om meer feestgangers aan te moedigen, werd het rijke gas in de loop van miljoenen jaren rijker en het arme gas armer. Door eenvoudige zwaartekracht groeiden kleine dichtheidsverschillen, waardoor de eerste enorme agglomeraties van materie werden opgebouwd en hun omgeving werd leeggemaakt.
De "kosmische dageraad" breekt aan
Ergens, ergens, heeft een stuk neutrale waterstof geluk gehad. De binnenste kern stapelde zich op overweldigende lagen op zichzelf en bereikte een kritische temperatuur en dichtheid, waardoor de atoomkernen in een gecompliceerd patroon werden samengedrukt, ontstoken in kernfusie en de grondstof werd omgezet in helium. Dat meedogenloze proces gaf ook een beetje energie vrij en in een flits was de eerste ster geboren.
Voor het eerst sinds de eerste twaalf minuten van de oerknal vonden er kernreacties plaats in ons universum. Nieuwe lichtbronnen, die de kosmos stippelden, overspoelden de eens lege holtes met straling. Maar we weten niet precies wanneer deze gedenkwaardige gebeurtenis plaatsvond; waarnemingen van dit tijdperk zijn buitengewoon moeilijk. Ten eerste verhinderen de enorme kosmologische afstanden dat zelfs onze krachtigste telescopen dat eerste licht waarnemen. Wat het nog erger maakt, is dat het vroege universum bijna volledig neutraal was en dat neutraal gas in de eerste plaats niet veel licht afgeeft. Pas als meerdere generaties sterren zichzelf aan elkaar lijmen om sterrenstelsels te vormen, kunnen we zelfs een vage hint krijgen van deze belangrijke tijd.
We vermoeden dat de eerste sterren ergens in de eerste paar honderd miljoen jaar van het heelal zijn gevormd. Het is niet veel later dat we directe waarnemingen hebben van sterrenstelsels, actieve galactische kernen en zelfs het begin van clusters van sterrenstelsels - de meest massieve structuren die uiteindelijk in het universum zullen ontstaan. Enige tijd daarvoor moesten de eerste sterren arriveren, maar niet te vroeg, omdat de hectiek van het jonge universum hun vorming zou hebben verhinderd.
Over de horizon
Hoewel de aankomende James Webb-ruimtetelescoop in staat zal zijn om vroege sterrenstelsels met uitstekende precisie te lokaliseren en een schat aan gegevens over het vroege heelal te bieden, zal het smalle gezichtsveld van de telescoop ons niet het hele beeld van dit tijdperk geven. Wetenschappers hopen dat sommige van de vroegste sterrenstelsels restanten van de allereerste sterren bevatten - of zelfs de sterren zelf - maar we zullen moeten afwachten en (letterlijk) zien.
De andere manier om de kosmische dageraad te ontsluiten is door een verrassende gril van neutraal waterstof. Wanneer de quantumspins van het elektron en het proton willekeurig omslaan, zendt de waterstof straling uit met een zeer specifieke golflengte: 21 centimeter. Deze straling stelt ons in staat om zakken met neutraal waterstof in onze moderne Melkweg in kaart te brengen, maar de extreme afstanden tot het kosmische dageraadtijdperk vormen een geheel andere uitdaging.
Het probleem is dat het universum is uitgebreid sinds dat lang dode tijdperk, waardoor alle intergalactische straling zich uitstrekt tot langere golflengten. Tegenwoordig heeft dat oer-neutrale waterstofsignaal een golflengte van ongeveer 2 meter, wat het signaal stevig in de radiobanden plaatst. En veel andere dingen in het universum - supernova's, galactische magnetische velden, satellieten - zijn behoorlijk luid bij diezelfde frequenties, waardoor het zwakke signaal uit de beginjaren van het universum wordt verdoezeld.
Er zijn verschillende missies over de hele wereld die proberen binnen te komen op dat sappige signaal van de kosmische dageraad, het oorspronkelijke gefluister uit de huidige kakofonie te halen en de geboorte van de eerste sterren te onthullen. Maar voorlopig moeten we wachten en luisteren.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Wat heeft de kosmische dageraad wakker gemaakt?" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Joyce S. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @ PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen. Volg ons @Spacedotcom, Facebook en Google+. Origineel artikel op Space.com.
