Nieuw onderzoek heeft verrassende kenmerken ontdekt van sterrenstelsels die 2 tot 3 miljard jaar na de oerknal zijn gevormd. Ze gebruikten de Webb-telescoop om 33 oude sterrenstelsels te bestuderen en ontdekten ongewoon hoge temperaturen en de aanwezigheid van elementen zoals nikkel. Hun resultaten, onderdeel van het CECILIA-onderzoek, bieden nieuwe inzichten in de evolutie en chemische samenstelling van vroege sterrenstelsels, waardoor we de ontwikkeling van sterrenstelsels door de geschiedenis van het universum kunnen begrijpen.
Door ‘jonge sterrenstelsels’ uit het oude universum te bestuderen, kunnen wetenschappers begrijpen hoe deze massieve sterrenstelsels volwassen werden en evolueerden. Volgens nieuw werk onder leiding van Gwen Rudie van Carnegie University en Allison Strom van Northwestern University waren sterrenstelsels die slechts 2 miljard tot 3 miljard jaar na de oerknal ontstonden ongewoon heet en zonden ze licht uit van verrassende elementen zoals nikkel. Door ‘jonge sterrenstelsels’ uit het oude universum te bestuderen, kunnen wetenschappers begrijpen hoe deze massieve sterrenstelsels volwassen werden en evolueerden.
Hun bevindingen, gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, maken deel uit van het CECILIA-onderzoek (Constraining chemische evolutie met behulp van ionisatielijnen in interstellaire aurora's). Afgelopen juli richtten ze NASA's James Webb Space Telescope (JWST) op 33 speciaal geselecteerde oude sterrenstelsels waarvan het licht meer dan 10 miljard jaar heeft gereisd om ons te bereiken. Ze staarden ruim een dag naar deze sterrenstelsels met de nieuwe telescoop, wat het meest gedetailleerde beeld opleverde van deze vroege sterrenstelsels ooit vastgelegd.
Stervorming en galactische evolutie
Toen het heelal jong was, maakten veel sterrenstelsels, waaronder de 33 sterrenstelsels die voor dit onderzoek zijn geselecteerd, een periode van intensieve stervorming door. Tegenwoordig vormen sommige sterrenstelsels, zoals onze eigen Melkweg, nog steeds nieuwe sterren, zij het niet zo snel. Andere sterrenstelsels stopten helemaal met het vormen van sterren. Het nieuwe werk zou astronomen kunnen helpen begrijpen wat er achter deze verschillende trajecten zit.
‘We proberen te begrijpen hoe sterrenstelsels zijn gegroeid en veranderd in de 14 miljard jaar kosmische geschiedenis’, zegt hoofdauteur Allison Strom. "Met behulp van JWST richt ons programma zich op tienerstelsels, wanneer ze zich in een tumultueuze periode van groei en verandering bevinden. De ervaringen van tieners bepalen vaak het traject van hun volwassen leven. Hetzelfde geldt voor sterrenstelsels."
Spectrale analyse en elementaire ontdekking
Het CECILIA-team bestudeerde de spectra van deze verre sterrenstelsels en splitste hun licht in verschillende golflengten, net zoals een prisma zonlicht verstrooit in de kleuren van de regenboog. Door op deze manier licht te observeren, kunnen astronomen de temperatuur en de chemische samenstelling van kosmische bronnen meten.
Rudy legde uit: ‘We hebben het gemiddelde genomen van de spectra van alle 33 sterrenstelsels om het diepste spectrum van verre sterrenstelsels ooit te creëren – iets dat 600 uur telescooptijd zou hebben gekost om te repliceren. Hierdoor konden we zoiets als een atlas maken als referentie voor toekomstige JWST-waarnemingen van zeer verre objecten.’
Met behulp van spectroscopie konden de onderzoekers acht verschillende elementen identificeren: waterstof, helium, stikstof, zuurstof, silicium, zwavel, argon en nikkel. De aanwezigheid van deze elementen in deze sterrenstelsels is niet verrassend, maar ons vermogen om hun licht te meten is ongekend en toont de kracht van JWST aan.
Alle elementen zwaarder dan waterstof en helium worden in sterren gevormd. Wanneer sterren exploderen tijdens gewelddadige gebeurtenissen zoals supernova's, werpen ze deze elementen de kosmische omgeving in en nemen ze op in de volgende generatie sterren. Door de aanwezigheid van bepaalde elementen in deze vroege sterrenstelsels te onthullen, kunnen astronomen begrijpen hoe de stervorming tijdens de evolutie veranderde.
Het CECILIA-team was verrast door de aanwezigheid van nikkel, wat bijzonder moeilijk waar te nemen is.
"Ik had nooit gedroomd dat we een stuiver zouden zien", zei Strome. ‘Dit is zelfs in nabijgelegen sterrenstelsels nog niet waargenomen. Er moet voldoende van het element in het sterrenstelsel aanwezig zijn en de juiste omstandigheden hebben om het te kunnen zien. Niemand heeft ooit gezegd dat we nikkel moeten waarnemen. De elementen moeten in het gas gloeien om ze te kunnen zien. Er kan dus iets unieks aan de sterren in het sterrenstelsel zijn, zodat we nikkel kunnen zien.’
"JWST is nog steeds een heel nieuw observatorium. Astronomen over de hele wereld proberen nog steeds de beste manier te vinden om de gegevens die we van de telescoop krijgen te analyseren", aldus medeauteur Ryan Trainor van Franklin & Marshall College.
Temperatuurdetectie en erfenis
Nog een verrassing: jonge sterrenstelsels zijn extreem heet. Door de spectra te bestuderen kunnen natuurkundigen de temperatuur van het sterrenstelsel berekenen. De heetste delen van een sterrenstelsel kunnen meer dan 9.700 graden Celsius of 17.492 graden Fahrenheit bereiken, terwijl jonge sterrenstelsels temperaturen kunnen bereiken die kunnen oplopen tot meer dan 13.350 graden Celsius, of 24.062 graden Fahrenheit.
‘We hadden verwacht dat de chemie van deze vroege sterrenstelsels heel, heel anders zou zijn dan die van onze eigen Melkweg en de sterrenstelsels die vandaag de dag om ons heen draaien’, zegt Rudy. "Maar wat JWST onthulde, verraste ons nog steeds."
Het project is genoemd ter ere van Cecilia Payne-Gaposchkin. Haar ontdekkingen brachten het begrip van de wetenschappelijke gemeenschap over de samenstelling van de zon op zijn kop, en ze kreeg te maken met jaren van oneerlijke kritiek voordat haar baanbrekende werk eindelijk werd erkend.
"Door ons JWST-onderzoek naar Cecilia Payne te vernoemen, eert ze haar baanbrekende onderzoek naar de chemische samenstelling van sterren. Alison en ik erkennen dat ons eigen werk dat de chemische samenstelling van deze vroege sterrenstelsels onthult, voortbouwt op haar nalatenschap," zei Rudy.
CECILIA is het eerste van zes initiële JWST-projecten onder leiding van Carnegie en aan Carnegie gelieerde astronomen die zijn geselecteerd om waarnemingen te doen met deze ongelooflijke ruimtetelescoop. Eerder dit jaar werden nog vier door Carnegie geleide projecten geselecteerd voor de tweede ronde van JWST-tijdtoewijzingen.