Enorm reservoir van 'sterrenbrandstof' ontdekt in een van de vroegste sterrenstelsels van het heelal

Het heelal was nog piepjong – slechts zo'n 700 miljoen jaar na de oerknal, oftewel ongeveer 5% van de huidige leeftijd – toen er al sterrenstelsels bestonden die in staat waren tot snelle groei en stervorming. Een internationaal team van astronomen heeft nu voor het eerst, met behulp van twee krachtige radiotelescopen, direct kunnen waarnemen waaruit de 'brandstof' voor dit proces bestond. De resultaten, die zijn gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, bieden een nieuwe kijk op de vorming van de eerste grote sterrenstelsels.

Het gaat om het sterrenstelsel REBELS-25, waargenomen bij een roodverschuiving van z=7,3. Dit stelsel bevindt zich in het tijdperk van de reïonisatie, een periode waarin de eerste generaties sterren en sterrenstelsels de kosmos transformeerden door het omringende neutrale waterstof te ioniseren. Astronomen vermoedden al langer dat dergelijke vroege, massieve objecten over grote voorraden koud moleculair gas moesten beschikken, de belangrijkste grondstof voor de geboorte van nieuwe sterren. Direct bewijs hiervoor ontbrak echter nog: de signalen zijn uiterst zwak en de achtergrondstraling van de kosmische microgolven bemoeilijkt observaties op zulke grote afstanden.

Waarnemingen met de Very Large Array (VLA) in New Mexico en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili speelden een cruciale rol. Met de VLA kon de zwakke straling van koolstofmonoxide (CO) worden vastgelegd, wat een betrouwbare indicator is voor koud gas. Dit is de verste detectie in zijn soort tot nu toe. ALMA maakte het plaatje compleet door de temperatuur, dichtheid en verdeling van het gas in kaart te brengen. Het bleek dat REBELS-25 ongeveer honderd miljard zonsmassa's aan koud moleculair gas bevat, wat neerkomt op zo'n 95% van alle normale (baryonische) materie in het stelsel. Ter vergelijking: er zijn in het stelsel tot nu toe aanzienlijk minder sterren gevormd.

Het sterrenstelsel verrast door zijn volwassenheid. Eerdere onderzoeken hadden al aangetoond dat het stelsel een roterende schijf bezit, veel stof bevat en een relatief hoog gehalte aan zware elementen heeft. Nu is daar een gigantisch gasreservoir aan toegevoegd. "Onze resultaten laten zien dat sterrenstelsels al 700 miljoen jaar na de oerknal over uitgestrekte voorraden koud gas beschikten voor de vorming van nieuwe sterren," aldus hoofdauteur Karin Cescon van de Universiteit Leiden.

Ook de Chileense astronoom Manuel Aravena, verbonden aan het Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines en de Universidad Diego Portales, werkte mee aan het onderzoek. Volgens hem helpen dergelijke vondsten te begrijpen hoe sommige systemen in het vroege universum zo snel materiaal konden verzamelen. Dit hoeft niet per se een typisch beeld te zijn – REBELS-25 is mogelijk een extreem voorbeeld – maar wetenschappers hebben nu de instrumenten om te onderzoeken hoe vaak dergelijke reservoirs voorkwamen.

De ontdekking is een belangrijke stap in het onderzoek naar de 'kosmische dageraad'. Toekomstige, gevoeligere instrumenten, zoals de Next Generation VLA, zullen het mogelijk maken om koud gas in meer vroege sterrenstelsels te observeren. Voor nu zien we dat er zelfs in de prille kosmos al omstandigheden waren voor een onstuimige groei van structuren die uiteindelijk de basis vormden voor het huidige universum. Het is een herinnering aan hoe dynamisch en vol verrassingen het vroege heelal was.