Sinds astronomen zich realiseerden dat het heelal constant in expansie is en dat een enorme explosie waarschijnlijk 13,8 miljard jaar geleden (de oerknal) begon, zijn er onopgeloste vragen over wanneer en hoe de eerste sterren zijn gevormd. Op basis van gegevens verzameld door NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en soortgelijke missies, wordt aangenomen dat dit ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal is gebeurd.
Veel details over hoe dit complexe proces werkte, zijn een mysterie gebleven. Echter, nieuw bewijs verzameld door een team onder leiding van onderzoekers van het Max Planck Institute for Astronomy geeft aan dat de eerste sterren vrij snel gevormd moeten zijn. Met behulp van gegevens van de Magellan-telescopen van het Las Campanas-observatorium observeerde het team een gaswolk waar stervorming plaatsvond, slechts 850 miljoen jaar na de oerknal.
De studie die hun bevindingen beschreef, die onlangs in de Astrophysical Journal, werd geleid door Eduardo Bañados. Banados en zijn collega's waren destijds lid van het Carnegie Institution for Science en observeerden de gaswolk terwijl ze follow-up observaties uitvoerden op een enquête bij 15 van de verste quasars die we kennen.
Deze enquête was opgesteld door Chiara Mazzucchelli, een astronoom bij de European Southern Observatory (ESO) en co-auteur van de studie, als onderdeel van haar Ph.D. onderzoek aan het Max Planck Instituut voor Astronomie. Bij het onderzoeken van de spectra van met name één quasar (P183 + 05), merkten ze op dat deze een aantal nogal eigenaardige kenmerken had.
Met behulp van de 6,5 m Magellan-telescopen van de Carnegie-instelling in het Las Campanas-observatorium in Chili, herkenden Banados en zijn collega's de spectrale kenmerken voor wat ze waren: een nabijgelegen gaswolk die werd verlicht door de quasar. De spectra vertelden hen ook hoe ver de gaswolk van de aarde verwijderd was - meer dan 13 miljard lichtjaar verwijderd - waardoor het een van de verst verwijderde is die astronomen ooit hebben waargenomen en geïdentificeerd.
Bovendien vonden ze spectra die de aanwezigheid van sporen van elementen zoals koolstof, zuurstof, ijzer en magnesium aanduidden - chemisch aangeduid als "metalen" omdat ze zwaarder zijn dan helium. Dergelijke elementen werden tijdens het vroege heelal gecreëerd toen de eerste generaties van sterren (ook bekend als "populatie III") ze in de kosmos loslieten nadat ze het einde van hun levensduur hadden bereikt en explodeerden als supernovae.
Zoals Michael Rauch, een astronoom van de Carnegie Institution of Science en co-auteur van de nieuwe studie, zei:
"Nadat we ervan overtuigd waren dat [we] slechts 850 miljoen jaar na de oerknal naar zo'n ongerept gas keken, begonnen we ons af te vragen of dit systeem nog steeds de chemische handtekeningen van de allereerste generatie sterren zou kunnen behouden."
Het vinden van de eerste generatie sterren is al lang het doel van astronomen, omdat het een breder begrip van de geschiedenis van het heelal mogelijk zou maken. Naarmate de tijd verstreek, speelden elementen die zwaarder waren dan waterstof een sleutelrol bij de vorming van sterren, waar materie samenklontert vanwege wederzijdse aantrekkingskracht en vervolgens door de zwaartekracht instort.
Aangezien wordt aangenomen dat alleen waterstof en helium in het heelal bestonden na de oerknal, had de eerste generatie sterren deze chemische elementen niet - wat ze onderscheidt van elke volgende generatie. Het was daarom verrassend om een relatieve overvloed aan deze elementen op te merken in zo'n vroege gaswolk, die eigenlijk vergelijkbaar was met wat astronomen tegenwoordig zien in intergalactische gaswolken.
Deze waarnemingen vormen een grote uitdaging voor conventionele theorieën over hoe de eerste sterren in ons heelal zijn gevormd. In wezen geeft het aan dat stervorming veel eerder moet zijn begonnen om deze chemische elementen te produceren. Op basis van onderzoeken met type Ia supernovae wordt geschat dat de explosies die nodig zijn om deze metalen met de waargenomen overvloed te produceren, ongeveer 1 miljard jaar zouden duren.
Kortom, wetenschappers zijn mogelijk ongeveer een generatie uitgeschakeld geweest als het gaat om het moment waarop de eerste sterren werden geboren, wat impliceert dat er mogelijk enkele waren tijdens de vroegste aionen van het heelal. Dit betekent in feite dat de eerste sterren vrij snel hadden moeten ontstaan uit de oersoep van waterstof en helium die het vroege heelal was. Deze bevinding kan serieuze implicaties hebben voor theorieën over kosmische evolutie.
Zoals Bañados zei, is het doel nu om dit te bevestigen door extra gaswolken te vinden met vergelijkbare chemische hoeveelheden:
'Het is opwindend dat we zo vroeg in de geschiedenis van het heelal de metalliciteit en chemische overvloed kunnen meten, maar als we de handtekeningen van de eerste sterren willen identificeren, moeten we nog eerder in de kosmische geschiedenis zoeken. Ik ben optimistisch dat we nog verder weg gelegen gaswolken zullen vinden, die ons kunnen helpen begrijpen hoe de eerste sterren zijn geboren. ”
Relativiteit vertelt ons dat ruimte en tijd twee uitdrukkingen zijn van dezelfde realiteit. Ergo, door verder het heelal in te kijken, kijken we ook verder terug in de tijd. Door dit te doen, hebben astronomen hun kosmologische modellen en ideeën over hoe en wanneer alles begon kunnen aanpassen. Wetende dat de oorsprong van de eerste sterren in het heelal naar een nog vroeger tijdstip zou kunnen worden verlegd; nou, dat is slechts een deel van de leercurve!
