Wanneer straalden de eerste sterren in het heelal?

Astronomie

Het tijdstip waarop de eerste sterren in het heelal begonnen te stralen is gemeten: 180 miljoen jaar na de oerknal. Astronomen leidden het af aan veranderingen in de kosmische achtergrondstraling.

De koelkastgrote radioantenne waarmee een deel van de kosmische achterstraling is gedetecteerd, staat in een vrijwel onbewoond gebied in West-Australië. Foto CSIRO Australia

De eerste sterren in het heelal begonnen 180 miljoen jaar na de oerknal te stralen. Tenminste, daarvoor dragen astronomen nu het eerste bewijs aan. Donderdag had Nature er twee artikelen over.

Het bewijs bestaat uit de detectie van een subtiel signaal in de zogeheten kosmische achtergrondstraling, de warmtestraling die bij de oerknal vrijkwam. Dat signaal houdt verband met veranderingen in het waterstofgas, het belangrijkste bestanddeel van de normale materie in het heelal. Op het moment dat de eerste sterren ontstonden bracht hun ultraviolette straling de waterstofatomen in een andere energietoestand. Hierdoor begon het waterstof de kosmische achtergrondstraling op een golflengte van 21 centimeter (een frequentie van 1420 megahertz) te absorberen. Het waterstofgas heeft op die manier een karakteristieke ‘vingerafdruk’ achtergelaten in het spectrum van de kosmische achtergrondstraling.

Een team van vijf wetenschappers van Arizona State University en het Massachusetts Institute of Technology, onder leiding van Judd Bowman, lijkt deze vingerafdruk – een brede ‘dip’ in het spectrum van de kosmische achtergrondstraling – nu daadwerkelijk te hebben gedetecteerd. Ze deden dat met een speciaal voor dit doel ontwikkelde, koelkastgrote radiotelescoop die in een afgelegen gebied in West-Australië staat opgesteld.

FM-zenders zijn verboden in een straal van 260 kilometer

De zoektocht naar die vingerafdruk van waterstofgas is al twaalf jaar aan de gang. Dat de detectie ervan zo lang op zich heeft laten wachten komt vooral doordat de frequentie van de radiostraling waarom het hier gaat binnen de FM-band ligt. En daar wemelt het van de aardse radiozenders. Niet voor niets staat het instrument dat voor de waarnemingen is gebruikt – het Experiment to Detect the Global EoR Signature, of kortweg EDGES – in een vrijwel onbewoonde omgeving. Binnen een straal van 260 kilometer zijn geen FM-zenders toegestaan.

Absorptiefrequentie

EDGES bestaat uit twee vrijwel identieke radio-ontvangers. Het zijn in feite heel nauwkeurig afstembare ‘radio’s’ die over het hele frequentiebereik dezelfde gevoeligheid hebben. De ene is gevoelig voor radiostraling van 100 tot 200 megahertz, de andere voor 50 tot 100 megahertz. Met de tweede is vanaf augustus 2015 het radiospectrum van vrijwel de complete zuidelijke hemel geregistreerd. Dat wil zeggen: voor alle frequenties tussen 50 en 100 megahertz is de intensiteit van de kosmische achtergrondstraling gemeten. Dat ze in dit bereik zochten en niet rond de oorspronkelijke absorptiefrequentie (1420 megahertz) heeft te maken met de uitdijing van het heelal. De onderzoekers verwachtten de ‘dip’ in de achtergrondstraling daardoor bij een veel lagere frequentie te vinden, onder de 200 megahertz. Dat bleek te kloppen: de dip zit tussen de 70 en 90 megahertz.

De astronomen concluderen dat de absorptie van de kosmische achtergrondstraling 180 miljoen jaar na de oerknal is begonnen en 100 miljoen jaar later eindigde. Het beginpunt geeft aan wanneer de eerste sterren in het heelal begonnen te stralen. 100 miljoen jaar later kwam er een einde aan de absorptie doordat de sterren het kosmische waterstofgas inmiddels hadden opgewarmd tot een temperatuur die boven de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling lag. Het gevonden spectrum komt in grote lijnen overeen met wat theoretische modellen hadden voorspeld.

Toch steekt er iets: de gemeten absorptie van de achtergrondstraling is twee keer zo sterk als verwacht. Volgens de onderzoekers wijst dit erop dat het waterstofgas in het heelal aanvankelijk beduidend kouder was dan gedacht óf dat de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling beduidend hoger was dan gedacht.

Donkere materie

De andere publicatie in Nature biedt een mogelijke verklaring voor het onverwacht sterke absorptiesignaal. De auteur ervan, Rennan Barkana van de universiteit van Tel Aviv, zoekt de oorzaak bij de donkere materie. Dat is de raadselachtige, niet waarneembare materie die 85 procent van alle massa in het heelal voor haar rekening neemt. Als de donkere materie bestaat uit vrij traag bewegende, ofwel koele, deeltjes die ook nog eens relatief weinig massa hebben, kan de waargenomen afkoeling van het kosmische waterstofgas volgens Barkana zijn veroorzaakt door interacties tussen donkere materiedeeltjes en waterstofatomen.

Maar volgens Leon Koopmans, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Rijksuniversiteit Groningen, is het nog te vroeg om allerlei grote conclusies aan het nu gepubliceerde resultaat te verbinden. „Als het waar is, is het een enorme knaller. Maar het zou me niet verbazen als het resultaat al voor het einde van dit jaar wordt ontkracht”, zegt hij.

Koopmans legt wat complicaties uit. Het ruwe spectrum zoals dat met EDGES is gemeten wordt bijvoorbeeld gedomineerd door een sterke ‘ruis’ van allerlei nabije bronnen van radiostraling, zoals ons eigen Melkwegstelsel en de ionosfeer van de aarde. „Deze ‘voorgrond’ moet van het gemeten signaal worden afgetrokken,” zegt Koopmans. „De keuze van het model dat je daarbij gebruikt is erg belangrijk. Bowman en zijn collega’s hebben aan veel dingen gedacht, zoals de absorptie die door de ionosfeer wordt veroorzaakt. Maar de ionosfeer buigt de straling van de hemel ook een beetje af en het effect daarvan is frequentie-afhankelijk. Tot mijn verbazing is daar niet voor gecorrigeerd. Daarmee nemen ze een enorm risico.”

Koopmans verwacht dat het nieuwe resultaat al in de loop van dit jaar kan worden bevestigd of ontkracht met SARAS 2, een Indiase radiospectrometer die in de Himalaya staat. Daar zijn nóg minder storingsbronnen dan in West-Australië. „Als het enorm sterke signaal dat door Bowman is gemeten wordt bevestigd, dan komt er een stroom aan publicaties op gang, met de meest uiteenlopende theorieën. Dat zou een enorme boost zijn voor deze tak van radioastronomie.”

Opstelling van radioschotels

In hun artikel pleiten Bowman en zijn collega’s ervoor het onderzoek van het radiospectrum van de kosmische achtergrondstraling te intensiveren. Ze kijken uit naar de Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), een opstelling van radioschotels in Zuid-Afrika die binnen twee jaar operationeel moet zijn. In de wat verdere toekomst wordt veel verwacht van de Square Kilometre Array (SKA), die verspreid over Zuid-Afrika en Australië komt te staan.

Voor de al bestaande Nederlandse radiotelescoop LOFAR is er mogelijk nu al werk aan de winkel. Als het gemeten signaal inderdaad zo sterk is als nu wordt gezegd, denkt Koopmans dat LOFAR in staat moet zijn om de eveneens voorspelde fluctuaties in dat signaal te meten – iets wat EDGES niet kan. „We willen daar binnenkort een projectvoorstel over indienen,” zegt hij. „En LOFAR zal vast niet de enige zijn, want ik ga ervan uit dat concurrerende teams nu ook dit soort projecten gaan opzetten. Iedereen wil die fluctuaties als eerste meten.”

    • Eddy Echternach