SRON - Eerste sterren

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Wednesday Jun 07th, 2023

De eerste sterren: Hoe ontstaan de allereerste sterren na de oerknal?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

In onze omgeving in het Melkwegstelsel kunnen we tot in detail zien hoe nieuwe sterren ontstaan. Grote wolken van gas en stof trekken samen onder invloed van de zwaartekracht. Als in het binnenste de temperatuur en druk voldoende hoog zijn opgelopen, wordt de ster geboren. Hij bevindt zich dan in een cocon van het resterende gas en stof. Het belangrijkste bouwmateriaal voor sterren, waterstofgas, is sinds de oerknal in ruime mate aanwezig in het heelal. Stof, dat nodig is om de wolken waaruit sterren ontstaan te laten afkoelen, zodat ze kunnen krimpen, is er ook genoeg. Nu wel, maar in het begin van het heelal niet.

Hoe zit het nu met de allereerste sterren die in het heelal zijn ontstaan? Dat vormingsproces moet anders zijn gelopen. Er is dan nog geen stof en de gaswolken kunnen daarom eigenlijk niet goed afkoelen. Het is onduidelijk hoe die gaswolken dan toch zo compact worden dat de zwaartekracht er vat op krijgt. Misschien heeft dat eerste stervormingsproces ook wel heel andere sterren opgeleverd dan we nu kunnen zien. Het is een van de grote vragen in de sterrenkunde: hoe zagen de eerste sterren eruit en hoe konden ze ontstaan?

Gewoon gaan kijken? Dat valt niet mee want we hebben het over sterren die bijna 13 miljard jaar geleden schenen. Dat betekent dat we ze moeten zoeken op heel grote afstanden, overeenkomend met de reistijd van 13 miljard jaar die dat sterlicht heeft gehad om vandaag in onze instrumenten te vallen. Omdat het heelal uitdijt, hebben ze een grote, van ons af gerichte snelheid. Door het Dopplereffect verschuift de uitgezonden straling dan naar langere golflengten. Het Dopplereffect kennen we uit het geluid, waarbij een op ons toe rijdende sirene een hoge toon heeft, en een wegrijdende sirene een lage toon. Door het effect van roodverschuiving zal bijvoorbeeld straling met hoge energie – die vrijkomt bij de eerste generatie hete sterren, of bij de eerste sterexplosies, gemeten moeten worden … in het infrarood. Dat vereist zeer gevoelige instrumenten met een enorm scherp blikveld. Tot nu toe hebben we de eerste generatie sterren in het heelal nog niet in beeld. En dus bestaan de vragen nog steeds.
Lees meer: het samentrekken van wolken waaruit sterren ontstaanOm te kunnen samentrekken moet de gaswolk afkoelen. Op een warme wolk krijgt de zwaartekracht onvoldoende vat om hem in elkaar te laten storten. Voor dat afkoelen van de gaswolk is het stof heel erg belangrijk. Het stof straalt infrarood licht uit en voert daarmee energie af uit de wolk. Minder energie in de wolk betekent: afkoelen. En dus krimpen. Maar waar komt dat stof eigenlijk vandaan? Het bestaat uit allerlei chemische elementen zwaarder dan waterstof, zoals silicium, aluminium, zuurstof en koolstof. Deze elementen bevinden zich niet in het ‘oergas’ van het heelal, zoals dat kort na de oerknal aanwezig is. De zwaardere elementen – astronomen noemen ze als groep wel ‘ metalen’ – ontstaan tijdens de stervensfase van vooral zware sterren. Tijdens en na de supernova-uitbarsting wordt met metaal ‘verrijkt’ gas de ruimte in geslingerd. Daar vermengt het zich met waterstofgas en kan het opnieuw terechtkomen in een proces van stervorming. Ultieme recycling dus. Elke volgende generatie sterren bevat dus wat metalen. Hoeveel metalen een ster bevat, kunnen we zien aan de lijnen in het spectrum van de ster. Het metaalgehalte is een van de manieren om sterren in de delen in ‘populaties’. Hoe minder metaal, hoe ouder de ster.

Wat weten we wel?

We weten nog niets met zekerheid. Er zijn wel uitgebreide modelberekeningen gemaakt. Die laten zien dat de koelingsrol in de samentrekkende wolk voor een deel ook wordt gespeeld door moleculair waterstof. Alleen is dat geen erg efficiënt koelmiddel. Het resultaat kan zijn dat er een grote, afgeplatte, draaiende gasschijf ontstaat die wel een beetje lijkt op een (huidig) melkwegstelsel in het klein. Door het gebrek aan stof lijkt fragmentatie in aparte wolkjes, waaruit aparte sterren ontstaan, niet mogelijk omdat de temperatuur in de wolk daarvoor dertig keer te hoog blijft. Want dan misschien wel gebeurt is dat er één gigantische ster ontstaat.

Vermoedelijk hangt het ontstaan van de eerste sterren ook samen met de eigenschappen van zogeheten donkere materie. Bij het ontstaan van de samentrekkende gaswolken kon gewone materie verder samentrekken door koelingsmechanismes, terwijl donkere materie geen mogelijkheid heeft om straling uit te zenden. Maar hoe die koppeling tussen donkere en gewone materie in elkaar steekt, is nog onbekend
Lees meer: de eerste sterren.Ze zijn misschien 100 tot 1000 maal zo zwaar als de zon, en zouden bovendien heel snel om hun as draaien. Als dat waar is, stijgen de kansen om ze op die enorme afstanden toch te zien omdat hun lichtkracht miljoenen maal die van de zon moet zijn geweest. Aan de andere kant kan het licht onderweg naar ons verzwakt zijn door de passage langs donkere gaswolken, en meer dichterbij door stofwolken. In ieder geval is hun straling naar het rood verschoven en dus zouden we in infraroodlicht of bij submillimetergolflengten moeten gaan kijken. Maar hoever is die straling nu echt verschoven? Dat hangt af van de afstand waarop die eerste sterren staan. Overigens beschikken we misschien net over de eerste aanwijzingen voor het bestaan van de ‘oersterren’ in recente opnamen van NASA’s Spitzer Space Telescope. Computerberekeningen laten zien dat ze ontstaan kunnen zijn tussen de 100 en 250 miljoen jaar na de Oerknal. Toen had het heelal nog maar 1/30-ste van de huidige omvang bereikt. Andere berekeningen plaatsen ze wat later, zo’n 400 miljoen jaar na het begin van het heelal. Het ontstaan van de eerste sterren heeft overigens ook nog een dramatisch effect op het aanzien van het heelal zelf. Voordien was het heelal donker. Nadien beginnen de eerste sterren met hun intense (meer dan een miljoen maal de sterkte van de zon) ultraviolette licht het omliggende waterstofgas te ioniseren. Als we dat oude geïoniseerde gas vinden, bijvoorbeeld met radiotelescopen, hebben we ook een indirect bewijs van het ontstaan van de eerste sterren.

De eerste sterren hebben ook een sterke sterrenwind en blazen bellen in het waterstofgas. Dat doen ze zeker als ze na enkele miljoenen jaren aan het einde van hun bestaan komen en met geweld exploderen. Een indirecte zoekstrategie kan dus ook zijn om te kijken naar de structuur van het vroege heelal. Die structuur zou nog het meest moeten lijken op die van schuimend bier. Het einde van de massieve eerste sterren moet heel explosief verlopen. Tijdens de explosie kunnen ze korte tijd een intense bron van gammastraling en röntgenstraling zijn. Ook dat biedt een manier om indirect achter het bestaan van deze sterren te komen. Misschien dat bepaalde typen gammaflitsers – voor het eerst ontmaskerd via de Nederlandse groothoekcamera’s op de BeppoSAX-satelliet – blijken samen te hangen met het explosieve einde van de eerste sterren.

Op de ‘raakvlakken’ van de ‘bellen’ wordt het gas extra op elkaar gedrukt, zodat daar meer stervorming gaat plaatsvinden. Misschien vinden we dergelijke concentraties ‘tweede generatie sterren’ of de eerste voorlopers van sterrenstelsels? Ook dat is lastig omdat het na het ontstaan van de eerste sterren nog enkele honderden miljoenen jaren duurt voordat het heelal echt helemaal transparant is. In de microgolfachtergrondstraling, afkomstig van zo’n 300.000 jaar na de oerknal, zijn aanwijzingen gevonden voor het bestaan van ‘knooppunten’ in het waterstofgas, waar zich sterrenstelsels zouden vormen.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Er zijn verschillende projecten in voorbereiding die misschien letterlijk licht kunnen werpen op de kwestie van de eerste sterren in het heelal. Er wordt veel verwacht van NASA’s James Webb Space Telescope (JWST, gebouwd in partnership met ESA en Canada) die al jaren in aanbouw is – en ver over tijd en oorspronkelijk budget. Dat weerspiegelt onder andere dat de complexiteit van deze telescoop echt enorm is, en ook nodig is om vragen als die in dit venster te kunnen beantwoorden. De JWST wordt wel gezien als de opvolger van de Hubble ruimtetelescoop, maar helemaal waar is dat niet. De JWST heeft een enorme capaciteit voor infraroodwaarnemingen, via een spiegel van maar liefst 6,5 meter. De lancering is in 2018 of later. Meer informatie is ook te vinden in het venster JWST / SPICA / Athena: de oorsprong achterhaald, in de categorie Resultaten.

Ook in het verre infrarood en het submillimetergebied is het mogelijk om te zoeken naar de eerste generaties sterren die het heelal bevolken. Zulk onderzoek gebeurt met ESA's Herschel-satelliet en vanaf het aardoppervlak via de Atacama Large Millimeter Array (ALMA), gelegen op een hoogvlakte in de Chileense Andes. Meer informatie is te vinden in het venster over HIFI in de categorie Experimenten.

Zoals beschreven zijn er verschillende strategieën om meer te weten te komen over de eerste sterren. Interessant is ook de mogelijkheid om waarnemingen te doen in radiostraling, zoals met de internationale / Nederlandse radiotelescoop LOFAR. De telescoop kan neutraal waterstof zien. Op een bepaalde afstand, namelijk daar waar de eerste sterren aanflitsen, verdwijnt het neutraal waterstof ineens snel en wordt het geïoniseerd. Als je dus de concentratie neutraal waterstof meet als functie van de afstand (roodverschuiving), dan zou je dit effect moeten kunnen zien.