Eerste sterrenstelsels blijken jonger dan gedacht

De Planck-ruimtetelescoop is in 2009 door het European Space Agency (ESA) gelanceerd, met als voornaamste bedoeling om het oudste licht in het heelal te bestuderen.

Het team dat werkt met de gegevens van de telescoop heeft de meest precieze kaart ooit van dat licht gemaakt, en daaruit blijkt dat de eerste sterrenstelsels ontstaan zijn zo'n 560 miljoen jaar na de Oerknal, de big bang, die 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond.

Uit eerdere, minder nauwkeurige observaties van de oudste straling in het heelal had men tot nu afgeleid dat de eerste sterrenstelsels vroeger ontstaan waren, zo'n 420 miljoen jaar na de Oerknal.

"Dit verschil van 140 miljoen jaar kan in de context van de 13,8 miljard jaar lange geschiedenis van de kosmos niet zo betekenisvol lijken, maar proportioneel gezien is het wel degelijk een zeer grote verandering in onze inzichten in hoe bepaalde determinerende gebeurtenissen zich voorgedaan hebben in de vroegste tijdvakken", zei professor George Efstathiou, een van de leiders van de Planck Science Collaboration, aan de BBC.

De geboorte van nieuwe sterren in het Arend-sterrenbeeld in onze Melkweg. In de heldere gebieden in het midden en links worden honderden sterren gevormd in alle maten en gewichten: van sterren zo groot als onze zon tot monsters die tientallen keren zwaarder zijn (foto: ESA/Hi-GALConsortium).

De nieuwe datering is gebaseerd op studies van de "naglans" van de Oerknal, het oudste licht in het heelal dat de kosmische achtergrondstraling genoemd wordt.

Volgens de theorie van de Oerknal was het vroege heelal extreem heet, zo heet dat materie en straling aan elkaar "gekoppeld" waren en het universum ondoorzichtig was. Pas toen het heelal na zo'n 380.000 jaar voldoende afgekoeld was, konden atomen worden gevormd, waterstofatomen, en werd het heelal doorzichtig. Fotonen - lichtdeeltjes - konden zich van dan af verplaatsen en het is dat licht van het vroege heelal dat nu waargenomen wordt als de kosmische achtergrondstraling. Oorspronkelijk was die straling ultra-violet, zichtbaar en infrarood licht, nu bereikt ze de aarde als radiogolven.

De Planck-satelliet heeft de kosmische achtergrondstraling uitgebreid en nauwkeurig in kaart gebracht tussen 2009 en 2013, en dit "fossiele licht" bevat een schat aan informatie over de omstandigheden in het vroege universum. Bovendien kunnen de gegevens worden gebruikt om de ouderdom en de vorm van het universum te bepalen, en om een inventaris te maken van de inhoud van het vroege universum.

Geleerden kunnen de kosmische achtergrondstraling ook onderzoeken op heel subtiele "vervormingen", die hen vertellen welke interacties de straling gehad heeft met elementen in het heelal tijdens haar reis naar de aarde.

Voorstelling van de Planck-telescoop met op de achtergrond de aarde (foto: ESA-D.Ducros).

Een van de interacties die haar sporen nagelaten heeft in de kosmische achtergrondstraling, is een grote verandering die het jonge universum ondergaan heeft en die reïonisatie genoemd wordt.

Atomen zijn gevormd uit protonen met een positieve lading, elektronen met een negatieve lading en eventueel neutronen zonder lading. Een atoom heeft geen lading, maar als het door een of andere oorzaak een of meer elektronen verliest, krijgt het een positieve lading. Een dergelijke vorm wordt een ion genoemd, en het proces ionisatie. Reïonisatie is dan het opnieuw ioniseren.

Kort na de oerknal, nadat zich waterstofatomen gevormd hadden en fotonen zich konden verplaatsen, vonden er heel vaak botsingen plaats tussen deeltjes: fotonen botsten heel vaak op andere deeltjes, omdat de dichtheid van het universum groot was.

Naarmate het universum ging uitdijen en afkoelen, verminderde het aantal botsingen en dat had onder meer tot gevolg dat elektronen en protonen neutrale atomen konden vormen, zonder dat ze opnieuw gescheiden werden door botsende fotonen.

Zo werden neutrale - niet geladen  -  waterstofatomen gevormd die een tijd na de Oerknal het universum domineerden.

Toen de eerste sterren ontstonden en de eerste sterrenstelsels vormden, nam het aantal botsingen echter weer toe. Het licht van die sterren ging de interactie aan met het neutrale waterstofgas in het universum en de fotonen botsten op de elektronen, die daardoor weggeslingerd konden worden. Daardoor ontstonden er waterstof-ionen en losse elektronen en dat wordt de reïonisatie genoemd. 

De losse elektronen gingen daarop weer botsen met het licht van de kosmische achtergrondstraling en hoewel die botsingen minder talrijk waren dan in de jonge jaren van het universum, lieten ze wel toch hun afdruk na in de kosmische achtergrondstraling. De doortocht van de kosmische achtergrondstraling door het doolhof van protonen en elektronen veroorzaakte namelijk een subtiele polarisatie van het licht van de achtergrondstraling en die polarisatie hebben de geleerden dankzij de Planck-telescoop in kaart gebracht.

Uit een nauwkeurige analyse van die polarisatie hebben de wetenschappers van het Planck-team kunnen afleiden dat ze 560 miljoen jaar na de big bang ontstaan is, wat betekent dat de reïonisatie toen moet hebben plaatsgevonden. En dat betekent dat er toen al voldoende sterren en sterrenstelsels moeten bestaan hebben om die ingrijpende verandering van het universum te veroorzaken.

Een detailweergave van de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling (foto: ESA/Planck Collaboration).

De Amerikaanse satelliet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), die in het begin van deze eeuw de kosmische achtergrondstraling bestudeerde, had het hoogtepunt van de reïonisatie gedateerd op 420 miljoen jaar na de Oerknal.

Dat leverde echter problemen op, omdat het niet strookte met de bevindingen van de Hubble-ruimtetelescoop over het vroege universum. De Hubble vond wel sterrenstelsels in wording die tussen de 300 en 400 miljoen jaar na de oerknal ontstonden. Maar het was een raadsel hoe die sterrenstelsels in wording 420 miljoen jaar na de oerknal al sterk genoeg konden zijn geweest om de gigantische verandering in gang te zetten die de reïonisatie geweest is.

De nieuwe datering dankzij de Planck-telescoop "lost dit conflict op een afdoende manier op", zei professor Richard McMahon van de universiteit van Cambridge aan de BBC. "We hadden twee groepen van astronomen die eigenlijk aan verschillende kanten van het probleem aan het werken waren. De mensen van het Planck-team benaderden het van de kant van de big bang, terwijl wij, de mensen die sterrenstelsels bestuderen, het vanuit de kant van het heden benaderden. Het is zoals een brug die gebouwd wordt over een rivier. De twee kanten sluiten nu aan op elkaar, terwijl we vroeger een kloof hadden."

De nieuwe datering stelt dat de reïonisatie later begon en geeft deze sterrenstelsels dus meer tijd om de reïonisatie in gang te zetten. Die reïonisatie zou overigens pas zo’n 900 miljoen jaar na de Oerknal voltooid zijn geweest.

Die kloof had wetenschappers ertoe gebracht om gecompliceerde scenario's te bedenken om de vroegere datering van de reïonisatie te verklaren, zoals het bestaan van een eerdere generatie van (niet waargenomen) reuzensterren of energierijke zwarte gaten. Die hypothesen zijn nu niet meer nodig.

Niemand weet wanneer de eerste individuele sterren precies ontstaan zijn. De nieuwe datering vertelt ons alleen wanneer er grote aantallen sterren zich verzameld hadden in sterrenstelsels die krachtig genoeg waren om het kosmische milieu ingrijpend te veranderen door de reïonisatie.

Dat betekent wel dat er per definitie al vroeger sterren geweest moeten zijn, een aanzienlijke tijd voor 560 miljoen jaar na de Oerknal. Hoever we daarvoor in de tijd moeten teruggaan, is niet duidelijk, maar mogelijk ontbrandde het vuur in de eerste sterren al 200 miljoen jaar eerder.

Het wordt de taak van de volgende generatie van telescopen, zoals de opvolger van de Hubble-telescoop, de James Webb Space Telescope, om daarop een antwoord te zoeken. Overigens is het goed nieuws voor de James Webb-telescoop dat de eerste sterren jonger zijn dan gedacht. De telescoop zal ze gemakkelijker kunnen vinden aangezien hun licht er minder lang moet over doen om ons te bereiken.

De geschiedenis van het universum, volgens de oude WMAP-datering (boven) en de Planck-satelliet (foto: ESA).

De nieuwe datering op basis van de gegevens van de Planck-telescoop maakt deel uit van een aantal studies die de ESA op zijn website gepost heeft. Die studies begeleiden de vrijgave van een hele reeks gegevens die nu gebruikt kunnen worden door de hele wetenschappelijke gemeenschap, en niet langer enkel door de leden van de Planck Science Collaboration.

Twee jaar geleden had de ESA ook al een hele reeks gegevens vrijgegeven. Die hadden toen vooral te maken met de subtiele verschillen in de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling, nu is de centrale rol weggelegd voor de polarisatie van de straling.

Gehoopt werd dat de Planck-telescoop in die polarisatie directe bewijzen zou vinden voor de inflatie, de supersnelle uitbreiding van de ruimte waarvan men denkt dat ze onmiddellijk na de Oerknal heeft plaatsgevonden. Dat is echter niet gebeurd en onlangs is een ander "bewijs" voor de inflatie in de polarisatie van de achtergrondstraling, naar de prullenmand verwezen.

Al de gegevens van Planck zijn echter niet in tegenspraak met de inflatietheorie. Bovendien geven de precieze metingen van de polarisatie nieuwe, striktere limieten waarbinnen de sporen van de inflatie moet vallen. Dat betekent dat wetenschappers er gerichter naar op zoek kunnen gaan.

De nieuwe gegevens van de Planck-telescoop maken wel duidelijk dat de eenvoudigste modellen over hoe de inflatie van de ruimte zou plaatsgevonden kunnen hebben, niet meer houdbaar zijn, en dat er "meer exotische" fysica aan te pas zal moeten komen om de inflatie te verklaren.

"We worden nu in een parameter van de ruimte geduwd die we niet verwacht hadden", zei Planck-wetenschapper Andrew Jaffe aan de BBC. "Dat is okay. We houden van interessante natuurkunde, daarom zijn we ook natuurkundigen, dus dat is geen probleem. Het is alleen zo dat we de naïeve verwachting hadden dat de eenvoudigste antwoorden juist zouden zijn, en soms is dat gewoon niet het geval."