Vroege sterren

Stervorming vond in het jonge heelal sneller plaats dan tot dusver werd gedacht, zo blijkt uit infraroodopnamen van de Hubble-ruimtetelescoop aan vèrverwijderde quasars.

De eerste sterren ontstonden al zo'n 200 miljoen jaar na de oerknal. Dat is aanzienlijk eerder dan tot nu toe werd aangenomen. De nieuwe datering, gepubliceerd in de Astrophysical Review Letters van 20 april, is gebaseerd op onderzoek aan quasars, extreem heldere objecten diep in het heelal en `aangedreven' door een superzwaar zwart gat in het centrum. Cruciaal zijn de sporen van ijzer die de Duitse astronoom Wolfram Freundling en twee medewerkers ontdekten in infraroodopnamen die oktober vorig jaar door de (toen net gereviseerde) Hubble-ruimtetelescoop zijn gemaakt. ``Het voelt alsof we de as van de eerste sterren in onze handen namen'', aldus Freundling.

Het gaat om drie van de verst verwijderde quasars in het heelal: hun licht heeft er 12,8 miljard jaar over gedaan om de aarde te bereiken. Dat getal volgt uit de gemeten roodverschuiving. Door de uitdijing van het heelal – hoe verder weg, hoe sneller hemellichamen zich van ons verwijderen – ontstaat een Doppler-effect: de kleur van het licht wordt roder, vergelijkbaar met het dalen van de toon van een sirene die van ons af beweegt. De aardse waarnemer ziet dus quasars van 12,8 miljard jaar oud. Uit deze leeftijd volgt dat het quasarlicht is uitgezonden op een moment dat het heelal 900 miljoen jaar oud was. Immers, de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), een satelliet die de kosmische achtergrondstraling (een relict van de oerknal) met ongekende nauwkeurigheid in kaart brengt, pinde afgelopen februari de ouderdom van het heelal vast op 13,7 miljard jaar.

Het infroroodspectrum van de quasars is bepaald met de NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph), een instrument aan boord van de Hubble-ruimtetelescoop. Omdat de aardse dampkring infrarood licht absorbeert, zijn astronomen voor waarnemingen in dit deel van het spectrum aangewezen op satellieten. Zo'n spectrum bevat vele donkere lijnen, vingerafdrukken van de samenstellende elementen van de ster. Freundling vond in de spectra van zijn quasars niet alleen waterstof- en heliumlijnen, ook ijzer was nadrukkelijk aanwezig. Wat betekent dat deze quasars dateren van ná het opbranden van de eerste generatie sterren in het heelal.

Immers, in het prille heelal waren alleen waterstof en helium aanwezig: meer dan die twee lichtste elementen had de oerknal niet geproduceerd. Zwaardere elementen als koolstof, stikstof en ijzer konden pas ontstaan door toedoen van kernfusie in het binnenste van de eerste sterren: een proces van samensmelten van lichtere kernen tot zwaardere onder vrijkoming van energie. Wanneer een ster voldoende zwaar is knalt hij, na van binnenuit te zijn `opgebrand', uit elkaar: een supernova-explosie. De buitenste lagen worden in dit staaltje van kosmische geweld het heelal ingeslingerd en vormen aldus het `stof' waaruit nieuwe sterren ontstaan – sterren waarin vanaf de geboorte zwaardere elementen wél aanwezig zijn. Het is voor het eerst dat astronomen elementen geproduceerd in de vroegste sterren hebben gezien.

De aanwezigheid van ijzerlijnen in het infraroodspectrum van de drie quasars van Freundling betekent dus dat de oudste sterren van één generatie eerder dateren. Omdat de levenscyclus van sterren die in een supernova eindigen 500 à 800 miljoen jaar duurt, leidt dit ertoe dat de eerste generatie sterren zo'n 200 miljoen jaar na de oerknal aanwezig was vóór de superzware zwarte gaten die de quasars `aandrijven'. Dit getal sluit goed aan bij de waarde die uit de WMAP-waarnemingen volgt. Het ontstaan van die superzware zwarte gaten zelf is overigens nog altijd een groot mysterie.

De quasarspectra vormen het eerste belangrijke wetenschappelijke resultaat met de NICMOS sinds de opknapbeurt van dat instrument in maart 2002, toen de Space Shuttle Columbia een rendez-vous met de Hubble had. Freundling en collega's dragen hun artikel in Astrophysical Review Letters op aan de bemanning van dit in februari verongelukte ruimteveer.