Het eerste licht in het heelal

Waarom ziet het universum er zo uit? Dit is een van de open vragen in de astrofysica en de natuurkunde in het algemeen. In de loop van de eerste miljard jaar is het universum geëvolueerd van een wanordelijke soep van hoogenergetische deeltjes naar een meer georganiseerde verzameling sterrenstelsels en sterren, maar veel details van dit proces ontgaan ons nog steeds.

In een recente studie analyseerde een internationaal team van onderzoekers waarnemingen van de James Webb Space Telescope, waarbij ze zich concentreerden op dwergstelsels uit het vroege heelal, en ontdekte dat deze sterrenstelsels licht uitzonden met een veel hogere intensiteit dan verwacht. Dit onderzoek vertegenwoordigt een doorbraak in ons begrip van de eerste lichtbronnen in het universum.

Direct na de oerknal onderging het heelal een snelle uitdijing, waarbij extreem hoge temperaturen en energieniveaus werden bereikt: de gemiddelde temperatuur van de deeltjes in het heelal was ongeveer 10^30 graden Celsius.

Bij zo’n enorme hitte konden subatomaire deeltjes zich niet met elkaar binden en waren daarom verstoken van materie zoals we die nu kennen. Ongeveer een seconde later koelde het universum af tot ongeveer een miljard graden, en werden subatomaire deeltjes – de bouwstenen van de materie volgens het Standaardmodel van de deeltjesfysica – gecreëerd, gebonden en gevormd tot protonen en neutronen.

Tegen de tijd dat het heelal ongeveer twintig minuten oud was, was het al afgekoeld tot temperaturen van honderdduizenden graden Celsius. Toen begonnen de protonen en neutronen zich te binden met waterstof-, helium- en lithiumionen.

Vanwege de hoge temperatuur van het universum behielden de deeltjes een zeer hoge energie, waardoor elektronen zich niet met protonen konden binden om stabiele atomen te vormen. Als gevolg hiervan bevond een groot deel van het universum zich in een plasmatoestand, een omgeving van elektrisch geladen deeltjes die om elkaar heen cirkelden. Dit plasma blokkeerde elektromagnetische straling, waardoor het licht zich niet vrij door het universum kon verspreiden.

Gedurende de volgende 370.000 jaar bleef het universum afkoelen totdat de temperatuur ongeveer 4.000 graden bereikte. Op dit punt konden de elektronen zich eindelijk aan het plasma binden, waardoor neutrale atomen ontstonden. Tijdens deze fase kwam kosmische achtergrondstraling vrij, die inzicht geeft in het vroege heelal. Deze straling kon grote afstanden naar ons afleggen omdat ze niet werd gehinderd door de aanwezigheid van plasma.

Op dat moment, toen het heelal ongeveer 400.000 jaar oud was, bestond het voornamelijk uit neutrale waterstof- en heliumatomen, gelijkmatig verspreid door de ruimte. Er waren geen bekende sterren, sterrenstelsels of andere complexe hemellichamen aan de hedendaagse nachtelijke hemel. In het bijzonder waren er geen lichtbronnen en was het universum gehuld in duisternis.

Pas ongeveer 20 miljoen jaar later, toen het universum dramatisch bleef uitdijen en afkoelen, werden de oudste lichtbronnen in het universum gevormd. Astrofysici die de geschiedenis van het heelal bestuderen, zijn nog steeds onzeker over de aard en oorsprong van deze lichtbronnen, wanneer ze zijn ontstaan ​​en hoe.

De heersende theorieën over de oudste lichtbronnen in het universum suggereren dat dit massieve zwarte gaten, massieve sterrenstelsels of jonge sterren kunnen zijn. Er is nog geen alomvattende theorie geformuleerd die de vorming van sterren en sterrenstelsels in het vroege heelal verklaart, en natuurkundigen proberen nog steeds te begrijpen wanneer en hoe de eerste lichtbronnen in het universum verschenen.

Met behulp van de James Webb Space Telescope, die eind 2021 werd gelanceerd, gingen onderzoekers zeer verre sterrenstelsels observeren. Omdat licht zich met een eindige snelheid voortbeweegt, duurt het lang voordat licht van verre sterrenstelsels ons bereikt. De onderzoekers concentreerden hun waarnemingen op licht dat ongeveer 13 miljard jaar geleden uit sterrenstelsels kwam en dat nu de telescoop bereikt, waardoor ze een glimp konden opvangen van processen die zich in het vroege heelal voordeden.

Deze verre sterrenstelsels zien er voor ons uit zoals ze er miljarden jaren geleden uitzagen, toen het nog jonge sterrenstelsels waren die minder licht uitstraalden dan andere kosmische lichamen. Daarom is het moeilijk om zulke verre sterrenstelsels met conventionele methoden waar te nemen.

Om dit te omzeilen gebruikten de onderzoekers een geavanceerde techniek: gebaseerd op Einsteins algemene relativiteitstheorie, die voorstelde dat zware massa's de ruimte zouden kunnen vervormen en het pad van licht dat dichtbij hen passeert, kunnen buigen.

De onderzoekers concentreerden zich op sterrenstelsels achter de massieve cluster van sterrenstelsels Abell 2744, die vanwege zijn grote massa fungeert als een zwaartekrachtlens, die het licht dat erachter komt vergroot en focust. Hierdoor konden de onderzoekers de hoeveelheid licht die de telescoop bereikte vergroten, wat nauwkeurigere waarnemingen mogelijk maakte.

De onderzoekers analyseerden het licht dat afkomstig was van dwergstelsels, sterrenstelsels die slechts ongeveer een miljard sterren bevatten. Ter vergelijking: het Melkwegstelsel waarin we leven bevat honderden miljarden sterren. De onderzoekers analyseerden de waarnemingen zorgvuldig en ontdekten dat deze dwergstelsels vier keer sterkere straling uitzenden dan eerder werd geschat.

Bovendien kwamen deze dwergstelsels in het vroege heelal vaker voor dan grotere sterrenstelsels. Als gevolg hiervan verwachten onderzoekers dat de meerderheid van de vroege lichtbronnen van het universum sterrenstelsels van dit type waren.

Deze studie is opnieuw een voorbeeld van de wetenschappelijke prestatie die is bereikt met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop. Hoewel de resultaten opmerkelijk zijn, benadrukken de onderzoekers dat er meer onderzoek nodig is, inclusief observaties van een bredere steekproef van sterrenstelsels, om hun conclusies te versterken.