Een record gebroken - Hubble vindt de verste ster ooit gezien
De Hubble-ruimtetelescoop van NASA/ESA heeft een buitengewone nieuwe maatstaf vastgesteld: het detecteren van het licht van een ster die bestond in de eerste miljard jaar na de geboorte van het heelal. Met een roodverschuiving van 6,2 is het de verste individuele ster ooit gezien. Het object wordt een belangrijk doelwit voor de NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope in het eerste jaar van zijn bestaan.
Deze vondst is een enorme sprong terug in de tijd in vergelijking met de vorige recordster. Die ster werd gedetecteerd door Hubble in 2018 en bestond toen het universum ongeveer 4 miljard jaar oud was, of 30 procent van zijn huidige leeftijd. Wat overeenkomt met een 'roodverschuiving 1.5. Wetenschappers gebruiken het woord "roodverschuiving" omdat naarmate het universum uitdijt, het licht van verre objecten wordt uitgerekt of "verschoven" naar langere, rodere golflengten terwijl dat licht naar ons toekomt.
Maar de nieuw ontdekte ster is zo ver weg dat zijn licht er 12,9 miljard jaar over heeft gedaan om de aarde te bereiken, toen het universum slechts 7 procent van zijn huidige leeftijd was, met roodverschuiving 6,2. De kleinste objecten die eerder op zo'n grote afstand zijn waargenomen, zijn clusters van sterren, ingebed in vroege sterrenstelsels.
Bij de foto: De verst verwijderde ster ooit gezien. Bron: Afbeelding tegoed: NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI), A. Pagan (STScI)
"We geloofden het eerst bijna niet, het was zo veel verder dan de vorige meest verre, hoogste roodverschuivingsster", zegt astronoom Brian Welch van de Johns Hopkins University in Baltimore, hoofdauteur van het artikel - gepubliceerd in Nature - dat de ontdekking beschrijft. De ontdekking is gedaan op basis van gegevens die zijn verzameld tijdens het RELICS-programma (Reionization Lensing Cluster Survey) van Hubble, geleid door co-auteur Dan Coe van het Space Telescope Science Institute (STScI).
"Normaal gesproken zien hele sterrenstelsels er op deze afstanden uit als kleine vlekjes, waarbij het licht van miljoenen sterren samensmelt", zegt Welch. "Het sterrenstelsel dat deze ster herbergt, is vergroot en vervormd door zwaartekrachtlenzen tot een lange halve maan die we de Sunrise Arc noemden." Na de melkweg in detail te hebben bestudeerd, stelde Welch vast dat één kenmerk een extreem vergrote ster is die hij Earendel noemde, wat 'morgenster' betekent in het Oud-Engels. De ontdekking houdt de belofte in om een onbekend tijdperk van zeer vroege stervorming te openen.
"Earendel bestond zo lang geleden dat het misschien niet dezelfde grondstoffen had als de sterren om ons heen vandaag", legt Welch uit. “Het bestuderen van Earendel zal een venster zijn op een tijdperk van het heelal dat we niet kennen, maar dat heeft geleid tot alles wat we weten. Het is alsof we een heel interessant boek hebben gelezen, maar we zijn begonnen met het tweede hoofdstuk, en nu krijgen we de kans om te zien hoe het allemaal begon', zei Welch.
"Er is een al lang bestaande theoretische voorspelling dat sterren die uitsluitend worden gevormd uit de elementen die kort na de oerknal zijn gesmeed - waterstof, helium en sporen van lithium - massiever zouden moeten zijn dan de sterren die zich vandaag vormen," voegde teamlid toe Erik Zackrisson, van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Uppsala in Zweden. "Deze oersterren, bekend als Populatie III-sterren, zijn tot nu toe aan waarnemers ontgaan, maar zouden detecteerbaar worden gemaakt als ze door zwaartekrachtlenzen zeer sterk worden vergroot, zoals in het geval van het Earendel-object."
Het onderzoeksteam schat dat Earendel minstens 50 keer de massa van onze zon en miljoenen keren zo helder is, en kan wedijveren met de zwaarste sterren die we kennen. Maar zelfs zo'n schitterende, zeer zware ster zou onmogelijk te zien zijn op zo'n grote afstand zonder de hulp van natuurlijke vergroting door een enorme cluster van sterrenstelsels, in dit geval bekend als WHL0137-08, die tussen ons en Earendel in zit. De massa van de melkwegcluster vervormt het weefsel van de ruimte, waardoor een krachtig natuurlijk vergrootglas ontstaat dat het licht van verre objecten erachter vervormt en enorm versterkt.
Dankzij de zeldzame uitlijning met de vergrotende cluster van melkwegstelsels, verschijnt de ster Earendel direct op, of zeer dicht bij, een rimpeling in het weefsel van de ruimte. Deze rimpel, die in de optica bekend staat als een "caustic", zorgt voor maximale vergroting en verheldering. Het effect is analoog aan het gegolfde oppervlak van een zwembad dat op een zonnige dag patronen van helder licht creëert op de bodem van het zwembad. De rimpelingen op het oppervlak werken als lenzen en concentreren het zonlicht tot een maximale helderheid op de zwembadbodem.
De omstandigheden zorgen er dus voor dat de ster Earendel tevoorschijn komt uit de algemene gloed van zijn eigen melkwegstelsel. De helderheid wordt duizendvoudig of meer vergroot. Op dit moment kunnen astronomen niet bepalen of Earendel een dubbelster is, maar de meeste massieve sterren hebben minstens één kleinere begeleidende ster.
Astronomen verwachten dat Earendel nog jarenlang sterk uitvergroot zal blijven. Het zal later in 2022 worden waargenomen door de NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. Webbs hoge gevoeligheid voor infrarood licht is nodig om meer over Earendel te leren, omdat het licht wordt uitgerekt (roodverschoven) tot een langere infraroodgolf door het uitdeinen van het heelal.
"Webbs opnames en spectra stellen ons in staat om te bevestigen dat Earendel inderdaad een ster is en om de leeftijd, temperatuur, massa en straal ervan te beperken", legt teamlid Jose Maria Diego van het Instituto de Física de Cantabria in Spanje uit. "Door waarnemingen van Hubble en Webb te combineren, kunnen we ook meer te weten komen over microlenzen in de cluster van sterrenstelsels, waaronder exotische objecten zoals oorspronkelijke zwarte gaten."
De compositie van Earendel zal van groot belang zijn voor astronomen, omdat deze werd gevormd voordat het heelal gevuld was met de zware elementen die werden geproduceerd door opeenvolgende generaties massieve sterren. Als uit vervolgonderzoek blijkt dat Earendel alleen bestaat uit oerwaterstof en helium, zou dit het eerste bewijs zijn voor de legendarische Populatie III-sterren, waarvan wordt aangenomen dat ze de allereerste sterren zijn die zich na de oerknal vormen. Hoewel de kans klein is, geeft Welch toe dat het toch aanlokkelijk is.
"Met Webb kunnen we sterren zelfs verder weg zien dan Earendel, wat ongelooflijk opwindend zou zijn," zei Welch. "We gaan zo ver mogelijk terug. Ik zou graag zien dat Webb het afstandsrecord van Earendel verbreekt.”
