Het allerverste sterrenstelsel

Wat je van ver haalt is lekker, ook in de astronomie. Ivo Labbé heeft met zijn Leidse team het allerverste sterrenstelsel gevonden. Zo'n 'freak of nature' zegt iets over het ontstaan van onze eigen Melkweg.

Ivo Labbé. Beeld Jiri Buller

Een onooglijk lichtvlekje is het - nét zichtbaar met de allergrootste telescopen ter wereld. Maar in sterrenkundige kringen was het dit voorjaar wereldnieuws. Het veegje, met de prozaïsche naam EGS-zs8-1, is het verste sterrenstelsel dat tot nu toe in het heelal is ontdekt. Het licht van het stelsel heeft er ruim 13 miljard jaar over gedaan om de aarde te bereiken. Dat betekent dat astronomen het stelsel zien zoals het er ruim 13 miljard jaar geleden uitzag, toen het heelal nog in de kleuterschoenen stond. EGS-zs8-1 is de nieuwste trofee in de jacht op de oertijd van de kosmos.

De Leidse astronoom Ivo Labbé, onlangs een van de auteurs van het opzienbarende artikel in The Astrophysical Journal, geeft toe dat het verschil met de vorige recordhouder, uit 2013, niet bijzonder groot is: pakweg 20 miljoen lichtjaar - een schijntje op de schaal van het universum. 'Maar het is als met het wereldrecord op de 100 meter sprint, daar gaat het ook om honderdsten van een seconde. Records verbreken blijft fascinerend.'

En ja, er zijn sterrenstelsels ontdekt waarvan de foto's - gemaakt door ruimtetelescopen zoals Hubble - doen vermoeden dat ze nóg verder weg staan, maar dan is er geen sprake van een echte precieze meting. In het geval van EGS-zs8-1 is met de kolossale Keck-telescoop op Hawaii nauwkeurig gemeten hoe sterk de lichtgolven van het verre stelsel zijn opgerekt door de uitdijing van het heelal: met een factor 8,73. Dat vertelt je direct hoe lang het licht onderweg is geweest door die uitdijende kosmos.

Toch is het verbreken van een record natuurlijk niet het uiteindelijke doel. Waar het om gaat is dat je op die enorme afstanden terugkijkt naar de periode waarin de allereerste sterrenstelsels ontstonden. Kort na de oerknal was het uitdijende heelal gevuld met waterstof- en heliumgas. Dat klonterde in de loop van de tijd samen tot kleine, vormeloze klompjes, die zich later weer samenvoegden tot statige structuren zoals ons eigen Melkwegstelsel. Maar niemand weet precies hoe dat gebeurde. 'Sterrenstelsels zijn complexe beestjes,' zegt Labbé. 'Ze bestaan uit sterren, gas, stof, zwarte gaten, donkere materie, noem maar op. Er is nog geen samenhangende theorie over hun ontstaan. Dat maakt dit vakgebied zo spannend.'

Hubble Space Telescope, Locatie: in een baan om de aarde.Lancering: 1990. Goed in opsporen van zeer zwakke, verdachte objecten. Beeld AP
James Webb Space Telescope. Locatie: op 1,5 miljoen kilometer afstand van de aarde.Geplande lancering: eind 2018.Specialiteit: infraroodwaarnemingen aan extreem zwakke objecten. Beeld .

Klein en zwak

Probleem is wel dat de eerste gasklompjes zo klein en zwak zijn dat ze op zulke grote afstanden zelfs met de krachtigste telescopen onzichtbaar blijven. Wat je wél kunt zien zijn de zeldzame uitzonderingen - relatief grote, zware stelsels waar al enorm veel nieuwe sterren in zijn ontstaan. 'Vuurvliegjes zijn op grote afstand onzichtbaar,' legt Labbé uit. 'Je ziet alleen de vuurtorens, en daar zijn er veel minder van.' Dus speuren de astronomen naar verdachte objecten - extreem zwakke lichtvlekjes met bijzondere kleuren - op foto's van grote gebieden aan de sterrenhemel, gemaakt door de Hubble Space Telescope.

Labbé: 'Door een groot gebied te bestrijken, vinden wij de zeldzame monsters - sterrenstelsels die nog maar 1 procent van de afmetingen en de massa van het Melkwegstelsel hebben, maar waarin toch honderd keer zo snel nieuwe sterren ontstaan. Het zijn de meest extreme objecten in het pasgeboren heelal - echte freaks of nature.'

Het zijn trouwens ook deze pathologische gevallen die kosmologen keer op keer hoofdbrekens bezorgen. Al een kwart eeuw lang wordt er in nieuwsberichten en op persconferenties rondgebazuind dat er weer een ver sterrenstelsel is ontdekt waarvan de extreme eigenschappen maar ternauwernood verklaarbaar zijn: afmetingen, massa, stervormingsactiviteit, hoeveelheid stof, grootte van het centrale zwarte gat - 'sterrenkundigen staan voor een raadsel', zo klinkt het steeds - zo vroeg in de geschiedenis van het heelal zou er onvoldoende tijd zijn geweest voor het samenklonteren van zulke grote, zware objecten. Maar de afstanden waarop die 'onverklaarbare' stelsels werden ontdekt - en daarmee de 'terugkijktijden' - namen voortdurend toe, en het raadsel schoof gewoon mee op. Rara hoe kan dat?

'Voortschrijdend inzicht in actie', volgens Labbé. De groei van sterrenstelsels is een enorm complex probleem. 25 jaar geleden waren er weinig waarnemingen beschikbaar en waren de theoretische ideeën relatief eenvoudig. Bij elke nieuwe ontdekking die 'onmogelijk' lijkt - elke nieuwe 'zwarte zwaan' - gaan de rekenaars terug naar hun computers, draaien ze aan de knopjes van hun wiskundige modellen en lukt het ze om de waarnemingen tóch te verklaren. 'Maar iedereen is zich voortdurend aan het verbazen over de snelheid waarmee de allereerste sterrenstelsels zijn ontstaan en gegroeid. De theoretici ook. Dat terugkerende idee van 'dit kan eigenlijk niet bestaan' is echt oprecht, steeds opnieuw.'

Very Large Telescope. Locatie: Cerro Paranal, Chili. Ingebruikname:1998. Goed in: detailonderzoek met veel verschillende instrumenten. Beeld .
Spitzer Space Telescope. Locatie: in een baan om de zon. Lancering: 2003.Specialiteit: infraroodwaarnemingen van verre sterrenstelsels. Beeld .

Afwijkende gevallen

Voor de wetenschap is het dus juist goed dat op miljarden lichtjaren afstand alleen de extreme freaks of nature zichtbaar zijn. Juist die afwijkende gevallen leveren de nieuwe inzichten op. Het is een beetje als in de neurologie: onderzoek aan een patiënt met een heel zeldzame afwijking, of aan iemand met zwaar hersenletsel, leert je vaak meer over de werking van het brein dan honderd hersenscans van 'normale' gezonde mensen. De uitzonderingen bevestigen niet de regel; ze perken de modellen in en leggen er nieuwe randvoorwaarden aan op. Zo is het ook bij EGS-zs8-1: omdat de afstand nauwkeurig bekend is, weet je ook echt zeker hoe groot en zwaar het stelsel is, en in welk tempo er nieuwe sterren in ontstaan. Uitzonderlijke getallen, maar een goede theorie over de vroege evolutie van het heelal moet ze wel kunnen verklaren.

De Leidse astronomen - naast Labbé ook Marijn Franx en Rychard Bouwens - maken de laatste tijd bij hun speurtocht naar kandidaat-recordhouders ook gebruik van infraroodfoto's, gemaakt door de Amerikaanse ruimtetelescoop Spitzer. 'De afwijkende infraroodkleuren wijzen uit dat deze sterrenstelsels enorm snel groeien,' legt Labbé uit. 'In de afgelopen jaren is al ontdekt dat de groei van sterrenstelsels in de eerste 1,5 miljard jaar na de oerknal veel sneller verliep dan daarna. Maar we wroeten nu echt in de ontstaansperiode, toen het heelal nog geen 700 miljoen jaar oud was, en daar lijkt alles zich nóg veel sneller af te spelen.'

Extreme objecten als EGS-zs8-1 zijn overigens niet de 'groeikernen' van sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel - dat klonterde veel geleidelijker samen, uit kleinere 'bouwstenen' die op miljarden lichtjaren afstand niet zichtbaar zijn. Nee, het gaat om de voorlopers van de allergrootste, allerzwaarste sterrenstelsels in het heelal, zoals die tegenwoordig aangetroffen worden in de kernen van gigantische clusters - grote zwermen van sterrenstelsels. Maar het blijft enorm lastig om het evolutieverhaal goed te reconstrueren. 'De theorie loopt echt achter de waarnemingen aan', zegt Labbé. 'We hebben nauwelijks een goed beeld van de geboorte van één enkele ster, laat staan van honderd miljard tegelijk.'

Keck-telescoop. Locatie: Mauna Kea, Hawaii. Ingebruikname: 1992. Specialiteit: spectroscopie (licht ontleden) van zwakke objecten. Beeld .
Het veegje met de prozaïsche naam EGS-zs8-1, het verste sterrenstelsel dat tot nu toe in het heelal is ontdekt. Het licht van het stelsel heeft er ruim 13miljard jaar over gedaan om de aarde te bereiken. EGS-zs8-1 is de nieuwste trofee in de jacht op de oertijd van de kosmos. Beeld AP

Gouden Eeuw van de astronomie

Voor waarnemers als Ivo Labbé is dat natuurlijk ook het spannende: 'De fun is dat we geen idee hebben wat voor bijzondere ontdekkingen we volgend jaar weer zullen doen.' Maar dat die bijzondere ontdekkingen er gaan komen, staat wel vast. De komende tien jaar wordt het 'alleen nog maar gekker', aldus Labbé. Dankzij de James Webb Space Telescope, die eind 2018 gelanceerd wordt, en dankzij grote toekomstige monstertelescopen op aarde, zoals de European Extremely Large Telescope, zal het onderzoek aan de allerverste sterrenstelsels in het heelal in een enorme stroomversnelling raken. 'Straks lukt het om op die kolossale afstanden ook de normale jongens te vinden, en krijgen we hopelijk een mooi totaalbeeld van de allervroegste evolutie van het heelal. Dit is de Gouden Eeuw van de astronomie.'

European ExtremEly Large Telescope. Locatie: Cerro Armazonas, Chili. Geplande ingebruikname: 2024. Specialiteit: detailonderzoek aan de allerzwakste objecten. Beeld .

Terugkijken en uitdijen

In één jaar tijd legt een lichtstraal een afstand van ca. 9,5 biljoen kilometer af (300 duizend km per seconde); die afstand wordt een lichtjaar genoemd. Sterrenstelsels als EGS-zs8-1 staan zo ver weg dat hun licht er meer dan 13 miljard jaar over heeft gedaan om de aarde te bereiken. Vaak wordt dan voor het gemak gezegd dat ze op ruim 13 miljard lichtjaar afstand staan. Door de uitdijing van het heelal ligt dat echter wat ingewikkelder.

Het licht van EGS-zs8-1 dat nú op aarde aankomt werd ruim 13 miljard jaar geleden uitgezonden, toen het heelal bijna negen keer kleiner was dan nu, en het stelsel dus ook veel dichterbij stond. Het licht reisde echter door een uitdijende ruimte en had er daardoor uiteindelijk ruim 13 miljard jaar voor nodig om op aarde aan te komen. De huidige afstand van EGS-zs8-1 is veel groter: ca. 30 miljard lichtjaar.

En nee, dat stelsels op zulke grote onderlinge afstanden terecht zijn gekomen in een heelal dat 'slechts' 13,8 miljard jaar oud is, is niet in strijd met Einsteins relativiteitstheorie, die zegt dat niets sneller kan bewegen dan het licht. De uitdijing van het heelal moet namelijk niet gezien worden als het van elkaar af bewegen van sterrenstelsels door een statische ruimte. Het is de lege ruimte zélf die uitdijt en daarbij speelt de snelheidslimiet van de lichtsnelheid geen rol.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden