Je leest:

De jacht op de eerste sterren

De jacht op de eerste sterren

Auteur: | 1 oktober 2004

De eerste sterren in het heelal ontstonden waarschijnlijk al honderd miljoen jaar na de oerknal. Ze zijn al lang niet meer zichtbaar, maar ze hebben hun sporen nagelaten in het Melkwegstelsel.

De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) kondigde het op 17 augustus met veel tamtam aan in een persbericht: Italiaanse sterrenkundigen zijn er voor het eerst in geslaagd om de leeftijd van ons Melkwegstelsel te bepalen. Volgens een team onder leiding van Luca Pasquini ontstonden de eerste sterren in het Melkwegstelsel zo’n 13,6 miljard jaar geleden, toen het heelal nog maar honderd miljoen jaar oud was. En als er zo kort na de oerknal híer al sterren straalden, moet dat elders in het heelal ook het geval zijn geweest.

De eerste sterren in het heelal waren veel zwaarder, heter en helderder dan de zon. Ze ontstonden uit kolossale samentrekkende gaswollken.

Sterren zijn de fonkelende lichtbronnen in het universum. Maar ze zijn er niet altijd geweest. Een paar honderdduizend jaar na de oerknal bestond het heelal uit een afkoelend en steeds ijler wordend gasmengsel van waterstof en helium – de twee lichtste elementen in de natuur – met slechts héél kleine hoeveelheden deuterium (zwaar waterstof), lithium en boor. Zo’n elektrisch neutraal gasmengsel is te koel en te ijl om licht uit te stralen, en in die voorwereldlijke deemstertijd was de kosmos dan ook aardedonker.

De eerste sterren zijn ontstaan uit kleine dichtheidsverschillen in die donkere oersoep. Waar de dichtheid net iets hoger is dan gemiddeld, krijgt de zwaartekracht immers al snel de overhand. IJle, uitgestrekte gasflarden beginnen dan onder hun eigen gewicht ineen te storten tot compacte wolken. In het centrum van zo’n samentrekkende gaswolk nemen druk en temperatuur in hoog tempo toe, en na verloop van tijd treden er spontaan kernfusiereacties op. Bij die reacties wordt waterstof omgezet in helium, en komt energie vrij in de vorm van licht en warmte. Daarmee is de geboorte van een ster een feit.

Opgewarmde oersoep

Niemand weet precies wanneer de eerste sterren zijn gaan stralen, maar het moet vrij kort na de oerknal zijn geweest. Uit waarnemingen van ver verwijderde quasars, waarvan het licht miljarden jaren onderweg is geweest om op aarde aan te komen, blijkt namelijk dat het ijle gas in de ruimte tussen de sterren één miljard jaar na de oerknal al geïoniseerd was: het bestond niet langer uit neutrale gasatomen, maar uit afzonderlijke positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen. Zo’n ‘plasma’ van elektrisch geladen deeltjes is veel en veel heter dan het neutrale waterstof- en heliummengsel van vlak na de oerknal. Kennelijk is de koude oersoep al in een heel vroeg stadium opgewarmd door de energierijke straling van de eerste generatie sterren.

Die allereerste sterren zijn al lang van het toneel verdwenen. Uit computersimulaties en modelberekeningen blijkt dat ze buitengewoon zwaar geweest moeten zijn – waarschijnlijk vele honderden malen zo zwaar als onze zon. Zulke zware sterren verstoken hun nucleaire brandstof in een bijzonder hoog tempo, waardoor ze hooguit een paar miljoen jaar na hun ontstaan al exploderen als supernova. Aan de sterrenhemel boven ons hoofd is dan ook geen enkele ‘oerster’ meer terug te vinden. Wat dat betreft lijkt de jacht op de eerste sterren wel wat op de speurtocht naar de prehistorische Australopithecus – de verre voorouder van de mens.

Maar net zo als paleoantropologen schedelfragmenten, botsplinters en kiezen van uitgestorven hominiden vinden in miljoenen jaren oude aardlagen, zo komen sterrenkundigen op verschillende plaatsen in het heelal de resten op het spoor van de allereerste sterren. En dat minutieuze speurwerk vormt de basis van de resultaten van Pasquini’s team, die binnenkort gepubliceerd worden in het Europese vakblad Astronomy & Astrophysics.

Sterrenstof

Resten van verdwenen sterren vinden we overal om ons heen. Vrijwel alle atomen in het heelal die zwaarder zijn dan waterstof en helium zijn afkomstig van andere sterren. De zuurstofatomen die je inademt, de ijzeratomen in de spaken van je fiets, de goudatomen in je trouwring – het is allemaal sterrenstof. Die zware elementen zijn ontstaan bij de kernfusiereacties in het inwendige van sterren, of bij de gewelddadige supernova-explosies waarmee zware sterren hun leven beëindigen. Als een soort kosmische as worden die fusieproducten uitgestrooid in de interstellaire ruimte, en de maagdelijke ‘zee’ van waterstof en helium wordt daardoor steeds sterker ‘vervuild’ met zware elementen.

Ons zonnestelsel ontstond zo’n 4,6 miljard jaar geleden uit zo’n ‘verontreinigde’ gas- en stofwolk, en alle zware elementen op aarde (en in je eigen lichaam) zijn dan ook afkomstig van andere sterren. Het probleem is alleen dat je natuurlijk nooit weet in welke ster zo’n atoom geproduceerd is. In principe is het niet uitgesloten dat er op aarde ook ‘afvalstoffen’ van de allereerste sterren in het heelal voorkomen, maar daar kom je nooit met zekerheid achter. Bovendien: zelfs al zou je wél met zekerheid weten dat de zware elementen op aarde gevormd zijn door die eerste oersterren, dan nog zegt dat niets over het moment waarop die sterren ontstonden.

De truc die Pasquini en zijn collega’s gebruikten, is buitengewoon ingenieus. Om te beginnen deden ze geen onderzoek aan zware elementen in ons zonnestelsel (dat minder dan vijf miljard jaar oud is, en dus niet echt het kosmische equivalent vormt van een oude aardlaag), maar onderzochten ze de samenstelling van de oudst bekende sterren in het Melkwegstelsel die nog wél bestaan. Bovendien keken ze niet naar stellaire afvalproducten waarvan de hoeveelheid na de dood van de moederster onveranderd bleef, maar naar zeldzame atomen die dienst kunnen doen als kosmisch uurwerk.

Bolhoop

De twee sterren die door de ESO-astronomen zijn onderzocht, maken deel uit van een zogeheten bolvormige sterrenhoop. Zo’n bolhoop is een grote, bolvormige verzameling van een paar honderdduizend sterren, die door de onderlinge zwaartekracht bijeengehouden worden. In ons Melkwegstelsel zijn ruim honderd bolvormige sterrenhopen bekend. De meeste bevinden zich rondom de kern van het Melkwegstelsel, maar ze komen ook op veel grotere afstand van de kern voor, en niet alleen in het afgeplatte vlak van het stelsel, maar ook ver daarbuiten.

De bolvormige sterrenhoop NGC 6397.

De bolvormige sterrenhoop in kwestie heeft het catalogusnummer NGC 6397. Het is de op een na dichtstbijzijnde bolhoop in het Melkwegstelsel, waardoor hij gedetailleerd kan worden onderzocht. NGC 6397 staat op een afstand van slechts ca. 5000 lichtjaar, in het sterrenbeeld Altaar, aan de zuidelijke sterrenhemel. Met de gevoelige UVES-spectrograaf van de Europese 8-meter Very Large Telescope op Cerro Paranal in noord-Chili is het licht van twee sterren in de bolhoop zorgvuldig geanalyseerd. De gedetailleerde spectra bieden nauwkeurige informatie over de scheikundige samenstelling van de buitenlagen van de sterren.

Van bolvormige sterrenhopen is bekend dat ze vele miljarden jaren oud zijn; het zijn de oudst bekende structuren in het Melkwegstelsel. Hun leeftijd is vrij eenvoudig te bepalen: alle sterren in een bolhoop zijn tegelijkertijd ontstaan, en door te kijken in welk evolutiestadium de verschillende sterren verkeren, kun je berekenen hoe lang dat geleden was. Zware sterren evolueren sneller dan lichte sterren, en zullen eerder opzwellen tot rode reuzen – een fase die vrijwel elke ster aan het eind van zijn leven doormaakt. Dus als alleen de allerzwaarste sterren het rodereuzenstadium hebben bereikt, is de sterrenhoop heel jong, maar wanneer ook lichte sterren al veranderd zijn in rode reuzen, moet de sterrenhoop wel erg oud zijn.

Op die manier is de leeftijd van NGC 6397 vastgesteld op ca. 13,4 miljard jaar. Dat betekent dat de sterren in de bolhoop ontstonden toen het heelal pas zo’n 300 miljoen jaar oud was. Uit waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling (het afgekoelde overblijfsel van de energierijke straling die vrijkwam bij de oerknal) is namelijk afgeleid dat het heelal zelf 13,7 miljard jaar oud is. Kennelijk werden er 300 miljoen jaar na de oerknal al bolvormige sterrenhopen gevormd, waarvan NGC 6397 er één is.

Beryllium

Toch behoren de sterren in NGC 6397 niet tot de allereerste generatie. Dat blijkt zonneklaar uit het feit dat er in de buitenlagen van die bolhoopsterren ook zware elementen voorkomen (zij het in veel kleinere hoeveelheden dan in de zon). Ze zijn dus ontstaan uit interstellaire gas- en stofwolken die al enigszins verontreinigd waren met de afvalproducten van nóg oudere sterren. Maar hoe kom je erachter wanneer die oersterren dan ontstonden?

Pasquini en zijn collega’s bepaalden daartoe het berylliumgehalte van de sterren in de bolhoop. Beryllium is een van de lichtste elementen in het heelal, maar het werd niet tijdens de oerknal gevormd. Sterker nog: beryllium ontstaat ook niet bij kernfusiereacties in sterren, of bij supernova-explosies. Er is maar één proces in de natuur bekend waarbij berylliumatomen ontstaan, en dat is een proces waarbij het aantal berylliumatomen in de kosmos in de loop van de tijd alleen maar toeneemt. Op die manier kunnen berylliummetingen gebruikt worden om de kosmos te klokken.

Het begint natuurlijk allemaal met de geboorte van de eerste sterren in het heelal. Net als de afkoelende oersoep waaruit ze gevormd worden, bestaan die sterren vrijwel uitsluitend uit waterstof- en heliumatomen. Maar bij de kernfusiereacties in hun binnenste worden zware elementen gevormd, zoals koolstof, zuurstof en stikstof. Bij de supernova-explosies waarmee de sterren hun leven beëindigen, worden die zware atomen de ruimte in geblazen. Diezelfde supernova-uitbarstingen produceren echter ook zogeheten kosmische straling: energierijke elektrisch geladen deeltjes (voornamelijk protonen en elektronen) die met hoge snelheid door de kosmos bewegen.

Wanneer een koolstof-, zuurstof- of stikstofatoom geraakt wordt door zo’n deeltje uit de kosmische straling, breekt het in stukken uiteen. Bij dat zogeheten spallatieproces – eigenlijk een vorm van kernsplijting – ontstaan onder andere atoomkernen van beryllium. Beryllium is dus een indirect ‘afvalproduct’ van de eerste generatie sterren. En hoe langer er kosmische straling door het heelal beweegt, hoe meer berylliumatomen er ontstaan. Het berylliumgehalte in de interstellaire ruimte neemt dus langzaam maar zeker toe, zelfs al zouden er geen nieuwe supernova-explosies meer plaatsvinden.

Eén op één biljoen De zon bevat ook berylliumatomen, maar daarvan is niet bekend in welke mate die (indirect) het product zijn van de allereerste sterren in het heelal, en in welke mate ze hun bestaan te danken hebben aan latere generaties van sterren. Maar voor de sterren in de bolvormige sterrenhoop NGC 6397 ligt dat anders; die zijn namelijk 13,4 miljard jaar geleden al ontstaan. Als er vóór die tijd nooit andere sterren zijn geboren (en gestorven), kunnen de sterren in de bolhoop geen beryllium bevatten. Als er alleen vlak voor het ontstaan van de bolhoop andere sterren zijn geweest, zal het berylliumgehalte heel laag zijn. En als er meer tijd zit tussen de dood van de eerste generatie sterren en de geboorte van de sterren in de bolhoop, moet er in die langere tussentijd meer beryllium zijn gevormd, en is het berylliumgehalte in de bolhoop dus hoger.

Dankzij de gevoelige instrumentatie van de Very Large Telescope hebben de Italiaanse astronomen van twee sterren in NGC 6397 heel nauwkeurig het berylliumgehalte kunnen vaststellen. Veel is het niet: ongeveer één berylliumatoom voor elke één biljoen waterstofatomen. Maar uit die meting konden Pasquini en zijn collega’s afleiden dat de dood van de eerste sterren in het Melkwegstelsel ongeveer tweehonderd miljoen jaar vóór de geboorte van NGC 6397 plaatsvond. Met andere woorden: de eerste sterren leefden zo’n 13,6 miljard jaar geleden, ca. honderd miljoen jaar na de oerknal.

In het persbericht dat de Europese Zuidelijke Sterrenwacht over de nieuwe resultaten verspreidde, wordt sterk de nadruk gelegd op het feit dat hiermee voor het eerst de ware leeftijd van het Melkwegstelsel is bepaald. In werkelijkheid is dat voor astronomen slechts een onbelangrijke bijkomstigheid: de hoge leeftijden van bolvormige sterrenhopen waren immers al lang bekend, en het is geen opzienbarende verrassing dat de eerste generatie sterren nog een tikje ouder is. Bovendien gaat het hier uitsluitend om de leeftijden van afzonderlijke sterren en sterrenhopen die nu weliswaar deel uitmaken van het Melkwegstelsel, maar er is weinig met zekerheid bekend over de onstaanswijze van het stelsel zelf, en bijvoorbeeld over de vraag wanneer het Melkwegstelsel zijn huidige afmetingen en zijn karakteristieke spiraalvorm verkreeg.

Onafhankelijke leeftijdsbepaling

Een veel belangrijker aspect van het Europese onderzoek is dat allerlei onafhankelijke leeftijdsbepalingen nu netjes met elkaar in overeenstemming lijken te komen. Waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling wijzen op een leeftijd van 13,7 miljard jaar voor het heelal als geheel, en de de huidige oerknaltheorie voorspelt dat de eerste sterren hooguit tweehonderd miljoen jaar later ontstonden. Dat komt dus goed overeen met de resultaten van de berylliumanalyse. Je kunt het ook omdraaien: combineer de berylliummetingen met de huidige ideeën over het ontstaan van het heelal, en je komt tot de conclusie dat de sterren in NGC 6397 een kleine 13,5 miljard jaar oud moeten zijn – exact in overeenstemming met de geheel onafhankelijke leeftijdsbepaling van de bolhoop op basis van de waargenomen evolutiestadia van de sterren.

Blijft de vraag of astronomen er ooit in zullen slagen om de allereerste sterren in het heelal ook daadwerkelijk waar te nemen. Niet in ons eigen Melkwegstelsel natuurlijk – daarvoor ontstonden ze te lang geleden en leefden ze veel te kort. Maar in extreem ver verwijderde sterrenstelsels zou het misschien moeten lukken. Doordat het licht van die stelsels er miljarden jaren over doet om de aarde te bereiken, zie je ze zoals ze er kort na de oerknal uitzagen. Als je maar ver genoeg in de ruimte kijkt, kijk je dus vanzelf ook ver genoeg terug in de tijd, en zou het mogelijk moeten zijn om de allereerste generatie sterren te zien stralen.

Met de huidige telescopen lukt dat niet, zelfs niet met de gevoelige Hubble Space Telescope. Maar op de vijf kilometer hoge Chajnantor-vlakte in het Chileense Andesgebergte, een paar honderd kilometer ten noordoosten van de Very Large Telescope, werken Europese en Amerikaanse radiosterrenkundigen op dit moment samen aan de bouw van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA), een reusachtig observatorium dat uit vierenzestig schotelantennes gaat bestaan die zeer kortgolvige radiostraling uit het heelal gaat bestuderen. Met ALMA moet het over een paar jaar mogelijk zijn om de oersterren daadwerkelijk te zien. Dan is de jacht op de eerste sterren eindelijk voltooid.

Dit artikel is eerder verschenen in de Volkskrant

Meer weten?

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.