“Onze resultaten laten zien dat sterrenstelsels al 700 miljoen jaar na de oerknal over enorme voorraden koud gas beschikten waaruit nieuwe sterren ontstaan,” zegt eerste auteur Karin Cescon, promovenda aan de Universiteit Leiden. “Dat betekent dat sommige sterrenstelsels al heel vroeg de brandstof hadden die nodig was om snel te groeien.”
Het onderzochte sterrenstelsel, REBELS-25, wordt gezien zoals het was toen het heelal slechts ongeveer 700 miljoen jaar oud was – zo'n vijf procent van zijn huidige leeftijd. Door de uitdijing van het heelal is het licht van zulke verre objecten onderweg sterk uitgerekt naar rodere golflengten, een effect dat astronomen roodverschuiving noemen. Voor REBELS-25 bedraagt die roodverschuiving 7,3. Het stelsel bevindt zich midden in het tijdperk van de reïonisatie: de periode waarin de eerste sterren en sterrenstelsels het jonge heelal ingrijpend veranderden.
Koud moleculair gas vormt de directe grondstof voor stervorming. Astronomen vermoedden al langer dat zware sterrenstelsels in het vroege heelal over grote gasvoorraden beschikten, maar dat was nooit rechtstreeks aangetoond.
De kosmische tijdlijn van de oerknal tot nu met daarin REBELS-25. Dit massieve sterrenstelsel bestond al zo’n 700 miljoen jaar na de oerknal, tijdens het zogenoemde reïonisatie-tijdperk waarin zich de eerste sterren en sterrenstelsels vormden. (c) NSF/AUI/NSF NRAO/M.Weiss
Enorme voorraad grondstof voor nieuwe sterren
Met de Very Large Array (VLA) in New Mexico in de VS zochten de onderzoekers naar zwakke radiosignalen van koolstofmonoxide (CO), een molecuul dat de aanwezigheid van koud stervormingsgas verraadt. De waarnemingen leverden de verste detectie ooit op van een laag-energetische vorm van CO-straling, een van de betrouwbaarste manieren om de hoeveelheid koud stervormingsgas in een sterrenstelsel te meten. Daaruit volgt dat REBELS-25 al 700 miljoen jaar na de oerknal beschikte over een enorme voorraad grondstof voor nieuwe sterren. Met aanvullende waarnemingen van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) konden de onderzoekers vervolgens de eigenschappen van het gas bepalen, zoals temperatuur en dichtheid.
REBELS-25 blijkt bovendien verrassend volwassen. Eerdere waarnemingen lieten al zien dat het stelsel een roterende schijf bevat, rijk is aan stof en relatief veel zware elementen bevat. De nieuwe meting voegt daar een enorme voorraad koud gas aan toe. De gemeten gasreserve bedraagt ongeveer honderd miljard keer de massa van de zon, tientallen malen meer dan de totale massa aan sterren die REBELS-25 tot dan toe had gevormd. Samen schetsen deze eigenschappen het beeld van een opvallend volwassen sterrenstelsel in een piepjong heelal.
Uitdagende waarnemingen
Het opsporen van koud gas op zulke grote afstanden is bijzonder moeilijk. De kosmische achtergrondstraling uit de oerknal wordt bij hoge roodverschuivingen steeds helderder en vermindert het contrast waarmee koud gas zichtbaar is. Daardoor was lange tijd onzeker hoe goed dit soort zwakke signalen op zulke grote afstanden nog waarneembaar zijn.
“Met deze metingen hebben we laten zien dat het wél kan,” aldus Cescon. “Tot dusver waren astronomen aangewezen op indirecte sporen van koud gas. Met de juiste telescopen kunnen we nu de brandstof zelf rechtstreeks bestuderen, zelfs in sterrenstelsels uit het tijdperk van de reïonisatie.”
De ontdekking biedt ook een voorproefje van wat toekomstige radiotelescopen mogelijk zullen maken. De geplande Next Generation Very Large Array (ngVLA) wordt ongeveer tien keer gevoeliger dan de huidige VLA. “Met de ngVLA kunnen we koud gas opsporen en bestuderen in veel grotere aantallen jonge sterrenstelsels,” zegt universitair hoofddocent Jacqueline Hodge van de Universiteit Leiden, begeleider van Cescon en mede-auteur van de studie. “Dat zal cruciaal zijn om te begrijpen hoe de eerste sterrenstelsels zijn ontstaan en gegroeid.”