Verste ster tot nu toe gespot maar hoeveel verder

Verste ster tot nu toe gespot – maar hoeveel verder terug in de tijd kunnen we zien?

Hubble's uitzicht op Earendel. Wetenschap: NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI); Beeldverwerking: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

De Hubble-ruimtetelescoop heeft de meest verre ster ooit waargenomen – Earendel, wat morgenster betekent. Hoewel Earendel 50 keer zo zwaar is als de zon en miljoenen keren helderder, zouden we hem normaal gesproken niet kunnen zien. We kunnen hem zien doordat de ster is uitgelijnd met een grote cluster sterrenstelsels ervoor, waarvan de zwaartekracht het licht van de ster afbuigt, zodat het helderder en meer gefocust wordt – waardoor in feite een lens ontstaat.

Astronomen kijken in het diepe verleden wanneer we naar verre objecten kijken. Licht verplaatst zich met een constante snelheid (3×10⁸ meter per seconde), dus hoe verder weg een object is, hoe langer het duurt voordat het licht ons bereikt. Tegen de tijd dat het licht van zeer verre sterren ons bereikt, kan het licht waar we naar kijken miljarden jaren oud zijn. We kijken dus naar gebeurtenissen die in het verleden hebben plaatsgevonden.

Wanneer wij het licht van de ster waarnemen, kijken wij naar licht dat 12,9 miljard jaar geleden door de ster werd uitgezonden – wij noemen dit de terugbliktijd. Dat is slechts 900 miljoen jaar na de oerknal. Maar omdat het heelal ook snel is uitgedijd in de tijd die dit licht nodig had om ons te bereiken, is Earendel nu 28 miljard lichtjaar van ons verwijderd.

Nu de opvolger van de Hubble, de James Webb Space Telescope (JWST), op zijn plaats staat, kan deze misschien nog vroegere sterren waarnemen, hoewel er misschien niet veel zijn die mooi zijn uitgelijnd om een “zwaartekrachtlens” te vormen zodat wij ze kunnen zien.

Om verder terug in de tijd te kunnen kijken, moeten de objecten erg helder zijn. En de verste objecten die we gezien hebben zijn de meest massieve en helderste sterrenstelsels. De helderste sterrenstelsels zijn die met quasars – lichtgevende objecten waarvan gedacht wordt dat ze worden aangedreven door superzware zwarte gaten – erin.

Vóór 1998 waren de verst ontdekte quasar-sterrenstelsels ongeveer 12,6 miljard jaar terug in de tijd. Door de verbeterde resolutie van de Hubble-ruimtetelescoop is de terugbliktijd gestegen tot 13,4 miljard jaar, en met de JWST verwachten we dit mogelijk te kunnen verbeteren tot 13,55 miljard jaar voor sterrenstelsels en sterren.

Sterren begonnen zich een paar honderd miljoen jaar na de Big Bang te vormen, in een tijd die wij de kosmische dageraad noemen. Wij zouden graag de sterren in de kosmische dageraad kunnen zien, omdat dit onze theorieën over de vorming van het heelal en de sterrenstelsels zou kunnen bevestigen. Onderzoek wijst echter uit dat we de meest verre objecten met telescopen misschien nooit zo gedetailleerd zullen kunnen zien als we willen – het heelal heeft misschien een fundamentele resolutielimiet.

Waarom terugkijken?

Een van de hoofddoelen van de JWST is te weten te komen hoe het vroege heelal eruitzag en wanneer de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd, vermoedelijk tussen 100 en 250 miljoen jaar na de oerknal. En gelukkig kunnen we hierover aanwijzingen krijgen door nog verder terug te kijken dan de Hubble of de JWST aankunnen.

We kunnen licht zien van 13,8 miljard jaar geleden, hoewel het geen sterrenlicht is – er waren toen nog geen sterren. Het verste licht dat we kunnen zien is de kosmische microgolfachtergrond (CMB), het licht dat is overgebleven van de oerknal, die zich slechts 380.000 jaar na onze kosmische geboorte heeft gevormd.

Het heelal vóór de vorming van de CMB bevatte geladen deeltjes van positieve protonen (die nu samen met neutronen de atoomkern vormen) en negatieve elektronen, en licht. Het licht werd verstrooid door de geladen deeltjes, waardoor het heelal een mistige soep werd. Naarmate het heelal uitdijde, koelde het af totdat uiteindelijk de elektronen zich met de protonen verenigden en atomen vormden.

In tegenstelling tot de soep van deeltjes hadden de atomen geen lading, zodat het licht niet langer verstrooid werd en in een rechte lijn door het heelal kon bewegen. Dit licht is door het heelal blijven reizen tot het ons vandaag bereikt. De golflengte van het licht werd langer naarmate het heelal zich uitbreidde – en wij zien het nu als microgolven. Dit licht is de CMB en kan op alle punten aan de hemel gelijkmatig worden waargenomen. De CMB is overal in het heelal.

Close-up van Earendel.

Close up van Earendel.
Wetenschap: NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI); Beeldverwerking: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

Het CMB-licht is het verst terug in de tijd dat we hebben gezien, en we kunnen geen licht uit vroegere tijden zien omdat dat licht verstrooid was en het heelal ondoorzichtig was.

Er is echter een mogelijkheid dat we op een dag zelfs verder kunnen kijken dan de CMB. Om dit te doen kunnen we geen licht gebruiken – we zullen gravitatiegolven moeten gebruiken. Dit zijn rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd zelf. Als die zich in de mist van het prille heelal hebben gevormd, kunnen ze ons vandaag mogelijk bereiken.

In 2015 werden zwaartekrachtgolven ontdekt van het samensmelten van twee zwarte gaten met behulp van de LIGO-detector. Misschien zal de volgende generatie gravitatiegolfdetectoren in de ruimte – zoals Esa’s telescoop Lisa, die in 2037 gelanceerd moet worden – in staat zijn om in het heel vroege heelal te kijken voordat de CMB 13,8 miljard jaar geleden werd gevormd.

The Conversation

Carolyn Devereux is verbonden aan:
Koninklijke Astronomische Vereniging
Instituut voor Natuurkunde
Arbeiderspartij