De James Webb Space Telescope (JWST) vertegenwoordigt een monumentale sprong in ons vermogen om de vroegste momenten van het universum waar te nemen. De succesvolle inzet van de telescoop, die in december 2021 werd gelanceerd, markeerde het begin van een tijdperk waarin het observeren van de allereerste sterren niet langer sciencefiction is, maar binnen handbereik.
De puzzel van vroege zwarte gaten
Een van de eerste verrassingen van JWST was de ontdekking van superzware zwarte gaten die bestonden toen het universum nog maar 3% van zijn huidige leeftijd had. Deze zwarte gaten, waarvan sommige meer dan een miljoen keer de massa van onze zon hebben, vormen een grote puzzel: hoe zijn ze zo snel ontstaan? Eén theorie suggereert dat kleinere zwarte gaten, geboren uit de explosieve dood van de eerste sterren (bekend als Populatie III-sterren), onder invloed van de zwaartekracht snel samensmolten om deze reuzen te creëren. Het tijdschema voor dit proces is echter krap, wat vragen oproept over de mechanismen die het mogelijk maakten dat duizenden kleinere zwarte gaten in slechts een paar honderd miljoen jaar samensmolten.
Populatie III-sterren: het eerste licht van het universum
Populatie III-sterren zijn de sleutel tot het beantwoorden van deze vragen. Deze sterren zijn ontstaan in een oeruniversum dat bijna geheel uit waterstof en helium bestond, met slechts sporen van andere elementen. Ze waren veel massiever dan sterren die vandaag de dag worden geboren, leven snel en sterven jong in spectaculaire supernovae. Deze explosies bezaaiden het universum met zwaardere elementen – koolstof, zuurstof, ijzer – die essentieel zijn voor het vormen van planeten en leven.
De uitdaging is dat niemand deze sterren ooit rechtstreeks heeft waargenomen. Hun extreme afstand en de uitdijing van het heelal maken detectie moeilijk, maar JWST biedt een oplossing.
Zwaartekrachtlenzen: een kosmische microscoop
Om deze uitdaging het hoofd te bieden, gebruiken astronomen een fenomeen dat zwaartekrachtlenzen wordt genoemd. Enorme objecten, zoals clusters van sterrenstelsels, buigen de ruimte zelf, waardoor het licht van verre sterrenstelsels erachter wordt vergroot. Dit effect, voorspeld door Einstein, verandert het universum in wezen in een natuurlijke telescoop. Door JWST op deze lenzen te richten, kunnen we in bepaalde regio’s vergrotingsfactoren tot wel 10.000 bereiken, waardoor het observatorium feitelijk in een kosmische microscoop verandert. Hierdoor kunnen we objecten zien die anders onmogelijk te detecteren zouden zijn.
Eerste glimp: Icarus en Earendel
De afgelopen jaren hebben astronomen al een glimp opgevangen van enkele van de oudste sterren tot nu toe. In 2016 ontdekte de Hubble-ruimtetelescoop ‘Icarus’, de eerste ster die met deze methode werd waargenomen, op een ongelooflijke afstand van 200 keer de afstand van elke eerder bekende ster. Meer recentelijk, in 2022, ontdekte JWST ‘Earendel’, een ster die vijf keer verder weg staat dan Icarus en die eruitzag zoals hij was toen het universum nog maar 7% van zijn huidige leeftijd had.
Deze ontdekkingen suggereren dat we binnenkort de allereerste generatie sterren rechtstreeks kunnen waarnemen. Maar zelfs deze waarnemingen zijn momentopnamen: we zien deze sterren zoals ze miljarden jaren geleden waren, niet zoals ze nu bestaan.
Donkere materie en de zoektocht naar onzichtbare structuren
Het licht van deze oude sterren onthult niet alleen informatie over hun samenstelling; het gaat ook door de onzichtbare structuren van donkere materie. Donkere materie vormt de overgrote meerderheid van de materie in het universum, maar de aard ervan blijft onbekend. Door te analyseren hoe lensvormig sterlicht wordt vervormd, kunnen astronomen de verspreiding van donkere materie in kaart brengen en theorieën over de samenstelling ervan testen. Sommige recente waarnemingen suggereren dat donkere materie structuren kan vormen met een massa die vergelijkbaar is met die van planeten, wat bepaalde modellen van donkere materie zou uitsluiten.
De toekomst van het eerste licht
De jacht op Populatie III-sterren versnelt. De komende Nancy Grace Roman Space Telescope zal een groter deel van de hemel onderzoeken en duizenden nieuwe zwaartekrachtlenzen onthullen. Het geplande Habitable Worlds Observatory (HWO) belooft nog grotere mogelijkheden, waardoor we deze oude sterren mogelijk in ongekend detail kunnen bestuderen.
Door de kracht van geavanceerde telescopen te combineren met de lenzen van de natuur, betreden we een gouden tijdperk van de astronomie. Het observeren van de eerste sterren van het universum gaat niet alleen over het begrijpen van de vroege kosmos; het gaat over het ontrafelen van de fundamentele mysteries van donkere materie en de oorsprong van alles wat we vandaag de dag zien. De eerste dinosaurussterren zullen binnenkort worden bevestigd, en we zullen ze in meer detail bestuderen, waarbij geheimen worden onthuld die miljarden jaren verborgen zijn gebleven.
