Hoe de allereerste sterren zijn ontstaan is een raadsel. Zeker is dat het heel anders moet zijn gegaan dan tegenwoordig. Na de Oerknal bevatte het heelal alleen maar waterstof en helium, en geen zwaardere elementen zoals koolstof (C) en zuurstof (O) die nu nodig zijn voor de vorming van sterren. Helaas kan die eerste generatie sterren niet meer bestudeerd worden, want ze zijn allang uitgedoofd. Maar recente metingen met de Hubble Ruimte Telescoop geven hoop dat het raadsel toch kan worden opgelost.
Met telescopen op aarde en in de ruimte is stervorming zoals dat nu gaat vrij goed waar te nemen. Het hele proces duurt honderduizenden tot enige miljoenen jaren - naar astronomische maatstaven kort. Het begint met grote wolken van gas en stof die onder hun eigen zwaartekracht ineen storten. Die bevatten behalve waterstof- en helium atomen , ook moleculen (voornamelijk koolmonoxide, CO) en minuscule stofdeeltjes in de vorm van roet- en zandkorreltjes (daarom zijn zulke wolken optisch volkomen ondoorzichtig).
Die extra ingredienten spelen een cruciale rol bij de vorming van nieuwe sterren, omdat ze er voor zorgen dat de instortende wolk koel blijft. Was dat niet het het geval, dan zou de wolk steeds heter worden omdat de gasdeeltjes steeds vaker en heftiger met elkaar in botsing komen. Maar gas dat heet wordt wil uitzetten, en die toenemende tegendruk zal het instorten tegenwerken en uiteindelijk stoppen.
Moleculen en stofdeeltjes zijn echter heel efficiente stralers: nog voordat de wolk letterlijk gloeiend heet wordt gaan ze al infrarood licht uitzenden, dat veel makkelijker uit de wolk ontsnapt dan zichtbaar licht. Zo raakt de wolk de energie die door het ineen storten vrij komt efficient kwijt, waardoor de samentrekking veel langer door kan gaan.
Dit is precies wat astronomen zien in stervormings-gebieden: de wolken zenden veel infrarood straling uit en blijven daardoor koud, slechts 10 tot 30 graden boven het absolute nulpunt.
Bij zulke lage temperaturen is de invloed van de gasdruk te verwaarlozen, dus als een koude wolk eenmaal begint met instorten is er geen houden meer aan. Het instorten gaat steeds sneller totdat het gas zover is samengeperst en de botsingen tussen de gasdeeltjes zo heftig zijn dat de stofdeeltjes en de moleculen worden afgebroken. Daarmee valt de koeling van de wolk weg en loopt de temperatuur in het midden van de wolk plotseling zo hoog op (tot miljoenen graden) dat de kernfusie van waterstof tot helium op gang komt: een nieuwe ster is geboren.Alle chemische elementen behalve waterstof en helium ontstaan door latere kernfusie-processen in sterren. Op het eind van hun leven stoten sterren een groot deel van dat materiaal weer uit, waarmee ze de interstellaire gaswolken ' bemesten' . Voordat zo een eerste generatie sterren was vergaan, kunnen gaswolken in de ruimte dus geen CO en geen stof-deeltjes bevat hebben.
Maar hoe is, zonder het boven beschreven koelingsmechanisme, de eerste generatie sterren ontstaan? Sinds een tiental jaren proberen astronomen een oplossing te vinden voor dit knagende probleem. Waterstof kan weliswaar ook infrarood-straling uitzenden, maar zo inefficient dat alleen heel zware wolken kunnen instorten. Berekeningen met supercomputers laten dan ook zien dat eerste generatie-sterren zeer zwaar moeten zijn geweest: honderden tot duizenden malen zo zwaar als de zon, en miljoenen tot miljarden malen helderder. Maar dat is slechts theorie: zulke zware sterren zijn zeer snel opgebrand, dus kunnen we ze allang niet meer waarnemen.
Maar nu heeft een groep Nederlandse, Amerikaanse en Italiaanse astronomen met de Hubble Ruimte Telescoop in M51 (' de Draaikolk-nevel') een aantal extreem heldere blauwe sterren ontdekt, die te beschouwen zijn als levende fossielen. (zie de afbeelding hierboven) Nader onderzoek wees namelijk uit dat het ging om uitzonderlijk zware sterren, ongeveer een miljoen keer helderder dan de zon, en pas kort geleden gevormd.
De reden hiervoor werd duidelijk toen zij ook de naburige kern van de Draaikolk onderzochten. Daarin zit een enorme concentratie van twintig miljoen sterren die zoveel ultra-violet licht uitzenden dat ze alle moleculen en stofdeeltjes tot op een afstand van ruim duizend lichtjaar afbreken. Het gevolg is, dat gaswolken daar geen moleculen en stofkorreltjes bevatten die tijdens de ineenstorting voor koeling kunnen zorgen. De Hubble waarnemingen laten nu zien dat bij die omstandigeheden alleen maar superzware sterren worden gevormd, net zoals dat was voorspeld voor het vroege heelal.
Nu een plaats gevonden is waar sterren bijna net zo worden gevormd als in het vroege heelal kan dat proces nader worden bestudeerd. Zo kan dan misschien toch het raadsel van de eerste sterren worden opgelost door metingen die veertien miljard jaar te laat zijn gedaan.
Het artikel 'Ongoing massive star formation in the bulge of M51' wordt 20 februari gepubliceerd in The Astrophysical Journal door:
Henny J.G.L.M. Lamers , Sterrenkundig Instituut, Universiteit Utrecht
Nino Panagia, Space Telescope Science Institute, Baltimore
Salvo Scuderi, Osservatorio Astrofisico di Catania, Sicilie
Martino Romaniello, European Southern Observatory, Muenchen
Marco Spaans, Kapteyn Sterrenkundig Instituut, Universiteit Groningen
Willem-Jan de Wit, Osservatorio Astronomico di Arcetri, Florence
Robert Kirshner, Center for astrophysics, Harvard University, USA
Nadere informatie:
Prof H.J. Lamers
Sterrenkundig Instituut Utrecht
lamers@astro.uu.nl
Detail-opname (in negatief) van de kern van M51. De blauwe reuzensterren zijn omcirkeld. Foto Hubble Space Telecope
Overzichtsfoto van M51 en z'n begeleider, waarmee hij 400 miljoen jaar geleden bijna in botsing kwam. Foto Lowell Observatory.