Hoe de blikken van de James Webb-telescoop terug in de tijd de kosmologie hervormen

BALTIMORE — De James Webb Space Telescope maakt zijn belofte als een wayback-machine waar. Het spectaculair gevoelige observatorium vindt en bevestigt sterrenstelsels die verder weg zijn, en daarom eerder in de geschiedenis van het universum bestaan, dan ooit tevoren.

De telescoop, ook bekend als JWST, heeft extreme afstanden tot vier sterrenstelsels bevestigd, waarvan er één een record vestigt voor kosmische afgelegen ligging door ongeveer 13,475 miljard jaar geleden te schijnen, meldden astronomen op 12 december in de Eerste wetenschappelijke resultaten van JWST conferentie. Mogelijk zijn er nog tientallen andere sterrenstelsels waargenomen, aangezien ze slechts 550 miljoen jaar of minder na de oerknal waren, wat betekent dat het licht van die sterrenstelsels minstens 13,1 miljard jaar heeft afgelegd voordat het de telescoop bereikte.

Alles bij elkaar genomen suggereren de nieuwe waarnemingen dat sterrenstelsels eerder en sneller zijn gevormd dan eerder werd gedacht. “We gaan een nieuw tijdperk binnen”, zegt astronoom Swara Ravindranath van het Space Telescope Science Institute in Baltimore.

Dat nieuwe tijdperk is gedeeltelijk te danken aan het vermogen van JWST om zeer zwak infrarood licht te zien (SN: 10/6/21). Voor de meest verre objecten, zoals de eerste sterren en sterrenstelsels, wordt hun zichtbare licht door de meedogenloze expansie van het universum uitgerekt tot langere infrarode golflengten die onzichtbaar zijn voor menselijke ogen en sommige eerdere ruimtetelescopen. Maar nu zijn metingen die recent onmogelijk waren, ineens eenvoudig met JWST, zeggen onderzoekers.

“JWST is de krachtigste infraroodtelescoop die ooit is gebouwd”, zei astrofysicus Jane Rigby op de conferentie. Rigby, van NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., Is de wetenschapper van het JWST-operatieproject. “Bijna over de hele linie zijn de wetenschappelijke prestaties beter dan verwacht.”

Zelfs op de allereerste afbeelding, vrijgegeven in juli, zagen astronomen sterrenstelsels waarvan het licht 13 miljard jaar of langer geleden ontstond (SN: 7/11/22). Maar die afstanden waren schattingen. Om de afstanden nauwkeurig te meten, hebben astronomen spectra nodig, metingen van hoeveel licht de sterrenstelsels over vele golflengten uitstralen. Die metingen zijn langzamer en moeilijker te maken dan foto’s.

“Dankzij deze glorieuze telescoop krijgen we nu spectra… voor honderden sterrenstelsels tegelijk”, zei astronoom Emma Curtis-Lake van de Universiteit van Hertfordshire in Engeland.

Onder hen zijn vier van de vroegste sterrenstelsels ooit gezien, waarvan sommige minder dan 400 miljoen jaar na de oerknal bestonden, rapporteerden Curtis-Lake en collega’s tijdens de bijeenkomst en in een paper die op 8 december aan arXiv.org werd voorgelegd. Het team zag deze recordhouders in een stukje hemel dat ooit met de Hubble-ruimtetelescoop werd doorzocht op zoek naar ultraverre sterrenstelsels (SN: 1/3/10).

De vorige afstandsrecordhouder bestond tussen 13,3 miljard en 13,4 miljard jaar geleden, of ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal (SN: 28-01-20). JWST bevestigde de afstand tot dat sterrenstelsel en kwam terug met nog drie waarvan het licht al 325 miljoen jaar na de oerknal komt.

De sterrenstelsels zijn ook verrassend ongerept, chemisch gesproken, zonder elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium.

“Dat zien we niet in het huidige universum”, zegt Ravindranath, die niet betrokken was bij de nieuwe ontdekking. Het zou kunnen betekenen dat niet veel van de sterren van de sterrenstelsels zijn gestorven in supernova-explosies die zware elementen door het universum hebben verspreid, wat suggereert dat de oorspronkelijke sterren van de sterrenstelsels niet extreem massief waren.

In een ander deel van de lucht heeft JWST gespot 26 sterrenstelsels die mogelijk ongeveer 550 miljoen jaar of eerder na de oerknal heeft bestaan, rapporteerden astronoom Steven Finkelstein en collega’s tijdens de bijeenkomst en in een paper die op 10 november aan arXiv.org werd voorgelegd.

“Op emotioneel, visceraal niveau is het geweldig om naar deze beelden te kijken”, zegt Finkelstein van de Universiteit van Texas in Austin.

De eerste hiervan die werd ontdekt, genaamd Maisie’s Galaxy naar de dochter van Finkelstein, slechts 380 miljoen jaar na de oerknal lijkt te zijn, meldden de onderzoekers op 1 december in de Astrofysische dagboekbrieven. Het verste sterrenstelsel in het onderzoek van het team zou wel eens 130 miljoen jaar eerder kunnen liggen dan Maisie. De afstanden van die sterrenstelsels moeten nog worden bevestigd met spectra, maar het team verwacht die gegevens in de komende weken te krijgen.

En verre sterrenstelsels die achter een massieve cluster van sterrenstelsels liggen, Abell 2744 genaamd, zijn ook talrijker en verder weg dan verwacht, zei astrofysicus Guido Roberts-Borsani van UCLA tijdens de bijeenkomst.

Voordat JWST de cluster observeerde, voorspelden astronomen dat het in feite nul sterrenstelsels van 13,2 miljard jaar geleden zou vinden. “Maar we hebben er twee gevonden”, zei Roberts-Borsani, die de resultaten tijdens de bijeenkomst rapporteerde. “Dus iets is een beetje raar.” Het zou kunnen betekenen dat sterrenstelsels zich eerder en sneller vormen dan gedacht, zei hij, hoewel het ook zou kunnen betekenen dat JWST alleen maar naar een bijzonder melkwegrijk stukje hemel keek.

Al deze nieuwe sterrenstelsels zijn opwindend omdat ze verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor het transparant maken van het universum voor zichtbaar licht, een proces dat astronomen reïonisatie noemen (SN: 12/2/22). Voordat de eerste sterren ontstaken, was het universum gevuld met een hete, dichte soep van deeltjes. De eerste sterren en sterrenstelsels baadden het universum in ultraviolet licht, waarbij elektronen van waterstofatomen werden gesplitst en licht doorgelaten werd totdat het JWST bereikte.

De nieuwe gegevens, zei Roberts-Borsani, “geven ons beperkingen over wanneer dit proces begon, eindigde en welke sterrenstelsels de boosdoeners waren voor dit proces.”