Telescopen zijn tijdmachines en astronomen gebruiken ze om de eerste sterren te vinden die zich ooit in het universum hebben gevormd. Deze vroege generaties sterren, bekend als Populatie III-sterren, speelden een belangrijke rol bij het vormgeven van het universum dat we vandaag de dag kennen.
In de begindagen van de kosmos waren er geen sterren die het universum verlichtten. Destijds bekend als de ‘donkere middeleeuwen’, werden een paar honderdduizend jaar na de oerknal alleen de lichtste elementen – voornamelijk waterstof en helium – gevormd, die zich in een donkere, koude waas over het kleine universum verspreidden.
Ergens in de volgende honderd miljoen smolten de eerste sterren samen uit die waterstof- en heliumnevel, verlichtten het universum en verzamelden zich in de eerste sterrenstelsels. Deze periode (vanaf het moment van de geboorte van de eerste sterren tot ongeveer een miljard jaar na de oerknal) staat bekend als het tijdperk van reionisatie.
‘De overgang van een donker universum dat alleen gevuld is met waterstof en helium naar de huidige sterrenstelsels, sterren, planeten en metalen is super fundamenteel’, zegt UCLA-astronoom William Lake. Omdat Populatie III-sterren de eersten waren die deze fundamentele veranderingen in het universum veroorzaakten, “creëerden ze de omstandigheden en de elementaire overvloed waaruit de sterren in onze Melkweg ontstonden”, voegt hij eraan toe.
Die zeer vroege generaties Populatie III-sterren leken in niets op sterren als onze zon, omdat de omstandigheden in de ruimte totaal anders waren ten tijde van hun geboorte, miljarden jaren geleden. De huidige sterren bevatten doorgaans een verscheidenheid aan zwaardere elementen, waaronder koolstof, stikstof, zuurstof en ijzer – maar geen van deze bestond toen Populatie III-sterren werden geboren. Zwaardere elementen moeten nog worden gemaakt in de intense kosmische ovens in de kernen van sterren.
Zonder deze extra elementen in hun atmosfeer misten Populatie III-sterren sterke stellaire winden en werden ze ‘gemiddeld massiever dan de huidige sterren’, zegt Lake. “Het betekent ook dat ze heet en helder waren, met een korte levensduur. Dus vandaag zien we niemand om ons heen – ze zijn al lang geleden overleden.” Toen Populatie III-sterren stierven, nadat ze daarbij enkele metalen hadden gemaakt, zouden ze het universum met die elementen bezaaien voor toekomstige generaties.
Maar hoe kunnen we sterrenvoorlopers bestuderen die miljarden jaren geleden zijn gestorven? Dankzij de eindige snelheid van het licht duurt het even voordat licht ons vanuit de verre kosmos bereikt. Hierdoor worden telescopen feitelijk een soort ‘terugblikmachine’, waarbij verre objecten verschijnen zoals ze dat in het verleden deden toen het licht voor het eerst aan zijn lange reis begon. Voor een ster op vier lichtjaren afstand (zoals onze naaste buur Proxima Centauri) zien we hem zoals hij vier jaar geleden was. Voor een ster 12 miljard Lichtjaren verderop zouden we het zien zoals het 12 miljard jaar geleden was, rond het tijdperk van reïonisatie – hoewel dit een veel moeilijkere waarneming is. Zo moeilijk zelfs dat we nog geen Populatie III-sterren hebben gezien.
Een deel van de reden waarom het zo moeilijk is, is dat alles in de diepe ruimte erg rood is. Terwijl het letterlijke weefsel van de ruimte-tijd zelf zich uitrekt, rekt het ook de lichtgolven uit op weg naar ons, waardoor ze naar het infrarode of zelfs microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum verschuiven. Dit betekent dat we een gespecialiseerde infraroodtelescoop nodig hebben om deze zeer vroege sterren en sterrenstelsels te kunnen waarnemen. En astronomen hebben zojuist de grootste en beste telescoop aangeschaft die ooit voor dat doel is gebouwd: die van NASA De James Webb-ruimtetelescoop (JWST).
JWST is niet bereikbaar erg het begin van het heelal, maar het kan heel ver teruggaan – terug tot slechts een miljard jaar nadat het heelal begon, in het tijdperk van reïonisatie. Hoewel Populatie III-sterren op dat moment volledig leefden, begonnen ze zich te verstoppen tussen de meer ‘normale’ sterren, de volgende generatie die bekend staat als Populatie II. Bovendien is er nog een andere uitdaging bij het bekijken van zulke verre sterren: alle objecten die zo ver van ons verwijderd zijn, zijn vanuit ons gezichtspunt absoluut klein en ongelooflijk zwak.
Als gevolg hiervan is het onwaarschijnlijk dat we individuele Populatie III-sterren zullen zien, maar astronomen hebben nog steeds enkele ideeën over hoe ze bewijs kunnen vinden van deze ongrijpbare vroege sterren. Met JWST hopen ze te kunnen vertrouwen op een extra vergroting van het universum zelf – zwaartekrachtlenzen, waarbij licht rond massieve objecten in de ruimte buigt – maar die aanpak vereist een beetje geluk. In tegenstelling tot een telescoop die we in elke richting kunnen richten, moeten meerdere gigantische objecten waarover we geen controle hebben willekeurig op astronomische afstanden worden uitgelijnd voordat een verre ster door de zwaartekracht van een lens kan worden voorzien; dat wil zeggen, we kunnen niet zomaar een zwaartekrachtlens maken op aanvraag; het universum moet daarin voorzien.
Er zijn ook enkele mogelijkheden om deze sterren dichter bij huis te spotten, een miljard of meer jaar later in de geschiedenis van het universum, maar met zoveel andere moderne sterren in de buurt lijkt het een beetje op het vinden van een speld in een hooiberg. Astronomen hebben echter wel enkele aanwijzingen over waar ze moeten kijken. ‘Sommige simulaties laten zien dat ongerept gas dat naar de buitenwijken van grote sterrenstelsels stroomt, de vorming van Pop III-sterren zou kunnen stimuleren’, legt UCLA-astronoom Sahil Hegde uit. Een andere plek om naar te kijken zijn dwergstelsels, die enige tijd geleden zijn gestopt met het vormen van sterren en daarom mogelijk minder stukjes hooi hebben om door te zeven op weg naar de naalden van Populatie III. ‘Je zou in principe ook kunnen zoeken naar de zwaartekrachtsgolfachtergrond van in Populatie III geplaatste binaire zwarte gaten, maar daarvoor zijn zwaartekrachtsgolfobservatoria van de volgende generatie nodig, zoals de Einstein Telescoop’, voegt Hegde toe.
Tot nu toe hebben astronomen één kandidaat voor een mogelijke Populatie III-ster die ze met JWST hebben opgemerkt, bekend als Earendel. Deze ster ontstond minder dan een miljard jaar na de oerknal en was alleen zichtbaar dankzij een van die handige zwaartekrachtlenzen. Er moet echter nog veel werk worden verzet voordat astronomen er zeker van kunnen zijn dat ze inderdaad de eerste generatie sterren hebben gevonden; “Er is nog geen sluitend bewijs gevonden dat Earendel Populatie III is”, zegt Hegde. JWST zal de zoektocht echter zeker voortzetten en misschien zien we de komende jaren eindelijk duidelijk een stellaire voorloper, die ons begrip van reïonisatie zal verhelderen, net zoals ze de vroege kosmos hebben verlicht.