Screenshot YouTube
Een internationaal team van astrofysici, waaronder prof. Rennan Barkana van de Sackler School of Physics and Astronomy aan de Universiteit van Tel Aviv, is er voor het eerst in geslaagd om de eerste sterrenstelsels in het heelal, die pas 200 miljoen jaar na de oerknal ontstonden, statistisch te karakteriseren.
Volgens de baanbrekende resultaten waren de vroegste sterrenstelsels relatief klein en zwak. Ze waren zwakker dan de huidige sterrenstelsels en verwerkten waarschijnlijk slechts 5% of minder van hun gas in sterren. Bovendien zonden de eerste sterrenstelsels geen radiogolven uit met een intensiteit die veel hoger was dan die van moderne sterrenstelsels.
Deze nieuwe studie, uitgevoerd samen met het SARAS-observatieteam, werd geleid door de onderzoeksgroep van Dr. Anastasia Fialkov van de Universiteit van Cambridge, Engeland, een voormalig promovendus van Prof. Barkana. De resultaten van deze innovatieve studie zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Astronomy.
"Dit is een heel nieuw veld en een eerste studie in zijn soort", legt prof. Barkana uit. “We proberen het tijdperk van de eerste sterren in het heelal te begrijpen, bekend als de 'kosmische dageraad', ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal. De James Webb Space Telescope kan deze sterren bijvoorbeeld niet echt zien. Mogelijk detecteert het alleen enkele bijzonder heldere sterrenstelsels uit een wat latere periode. Ons doel is om de hele populatie van de eerste sterren te onderzoeken”.
Volgens het standaardbeeld was ons universum, voordat sterren zwaardere elementen in hun kernen begonnen samen te smelten, niets anders dan een wolk van waterstofatomen van de oerknal (afgezien van wat helium en veel donkere materie). Tegenwoordig is het heelal ook gevuld met waterstof, maar in het moderne heelal is het grotendeels geïoniseerd door straling van sterren.
"Waterstofatomen zenden van nature licht uit met een golflengte van 21 cm, wat binnen het spectrum van radiogolven valt", zegt prof. Barkana. “Omdat stellaire straling het licht beïnvloedt dat wordt uitgezonden door waterstofatomen, gebruiken we waterstof als detector in onze zoektocht naar de eerste sterren: als we het effect van sterren op waterstof kunnen detecteren, zullen we weten wanneer ze zijn geboren, en in welke soorten sterrenstelsels. Ik was een van de eerste theoretici die dit concept 20 jaar geleden ontwikkelde, en nu kunnen waarnemers het implementeren in daadwerkelijke experimenten. Teams van experimentatoren over de hele wereld proberen momenteel het 21 cm-signaal van waterstof in het vroege heelal te ontdekken.”
Een van deze teams is EDGES, dat een vrij kleine radioantenne gebruikt die de gemiddelde intensiteit aan de hele hemel meet van radiogolven die uit verschillende periodes van de kosmische dageraad komen. In 2018 kondigde het EDGES-team aan dat het het 21 cm-signaal van oude waterstof had gevonden.
"Er was echter een probleem met hun bevindingen", zegt prof. Barkana. "We konden er niet zeker van zijn dat het gemeten signaal inderdaad afkomstig was van waterstof in het vroege heelal. Het kan een nepsignaal zijn geweest dat werd geproduceerd door de elektrische geleidbaarheid van de grond onder de antenne. Daarom wachtten we allemaal op een onafhankelijke meting die deze resultaten zou bevestigen of weerleggen. Vorig jaar voerden astronomen in India een experiment uit genaamd SARAS, waarbij de antenne werd gemaakt om te drijven op een meer, een uniform wateroppervlak dat het gewenste signaal niet kon nabootsen. Volgens de resultaten van het nieuwe experiment was er een kans van 95% dat EDGES inderdaad geen echt signaal uit het vroege heelal detecteerde. SARAS vond een bovengrens voor het echte signaal, wat impliceert dat het signaal van vroege waterstof waarschijnlijk aanzienlijk zwakker is dan het signaal gemeten door EDGES. We hebben het SARAS-resultaat gemodelleerd en de implicaties voor de eerste sterrenstelsels uitgewerkt, d.w.z. wat hun eigenschappen waren gegeven de bovengrens bepaald door SARAS. Nu kunnen we voor het eerst zeggen dat sterrenstelsels van bepaalde typen in die vroege tijd niet kunnen hebben bestaan.”
Prof. Barkana concludeert: “Moderne sterrenstelsels, zoals onze eigen Melkweg, zenden grote hoeveelheden radiogolven uit. In onze studie hebben we een bovengrens gesteld aan de snelheid van stervorming in oude sterrenstelsels en aan hun algehele radiostraling. En dit is nog maar het begin. Elk jaar worden de experimenten betrouwbaarder en preciezer, en daarom verwachten we sterkere bovengrenzen te vinden, waardoor we nog betere beperkingen krijgen voor de kosmische dageraad. We hopen dat we in de nabije toekomst niet alleen limieten zullen hebben, maar ook een nauwkeurige, betrouwbare meting van het signaal zelf.”
