Reuzensterren blijken levende fossielen

[univers]

Over het ontstaan van de eerste sterren in het heelal, 14 miljard jaar geleden, tasten astronomen nog steeds in het duister. Kort na de Oerknal waren de omstandigheden heel anders dan nu en kon eigenlijk geen stervorming plaatsvinden. Met de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop hebben Nederlandse, Amerikaanse en Italiaanse astronomen nu eindelijk een tipje van de sluier opgelicht.

Hoe de allereerste sterren ontstonden is een raadsel. Zeker is dat het heel anders moet zijn gegaan dan tegenwoordig. Na de Big Bang of 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 de eerste generatie sterren niet meer bestudeerd worden, want ze is allang uitgedoofd. Maar recente waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop geven hoop dat het raadsel toch kan worden opgelost. Met telescopen op aarde en in de ruimte is stervorming zoals die nu gaat vrij goed waar te nemen.

Het hele proces duurt honderduizenden tot enige miljoenen jaren. Het begint met grote wolken gas en stof, die onder hun eigen zwaartekracht gaan samentrekken. Naast waterstof- en heliumatomen bevatten de wolken ook veel grotere moleculen (voornamelijk koolmonoxide, CO) en minuscule stofdeeltjes in de vorm van roet- en zandkorreltjes. Die extra ingredienten spelen een cruciale rol bij de vorming van nieuwe sterren, omdat ze er voor zorgen dat de samentrekkende wolk koel blijft.

Kip of ei


M51 en z'n begeleider

Als de wolk uitsluitend uit gas bestond, zou hij tijdens het inkrimpen steeds heter worden omdat de gasdeeltjes steeds vaker en heftiger met elkaar in botsing komen. Maar gas dat heet wordt, wil uitzetten. Die toenemende tegendruk zal het inkrimpen tegenwerken en uiteindelijk stoppen.

Moleculen en stofdeeltjes zijn echter heel efficiënte stralers: nog voordat de wolk letterlijk gloeiend heet wordt gaan ze al infrarood licht uitzenden. Dat onstnapt veel makkelijker uit de wolk dan zichtbaar licht. Zo raakt de wolk de energie kwijt die door het inkrimpen vrijkomt, waardoor de samentrekking veel langer door kan gaan.

Dit is precies wat astronomen zien in stervormingsgebieden: de wolken zenden veel infraroodstraling 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 inkrimpen is er geen houden meer aan. De wolk stort steeds sneller ineen, 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 andere elementen dan waterstof en helium zijn ontstaan door kernfusieprocessen in sterren. Op het eind van hun leven stoten sterren een groot deel van hun materiaal weer uit, waarmee ze de interstellaire gaswolken 'verontreinigen'. Ziedaar een waar kip-of-ei probleem. Want toen er nog geen sterren waren, bevatte het heelal alleen maar waterstofgas en helium. Dus zonder koelingsmechanisme zou de eerste generatie sterren nooit kunnen zijn ontstaan.

Sinds een tiental jaren proberen astronomen een oplossing te vinden voor dit probleem. Waterstof kan ook infraroodstraling uitzenden. Maar het gas doet dat zo inefficiënt, 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.

Levende fossielen


Detailopname van de kern van M51.

Met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop heeft een groep Nederlandse, Amerikaanse en Italiaanse astronomen onder leiding van prof. Henny Lamers (Universiteit Utrecht) een aantal extreem heldere blauwe sterren ontdekt, die te beschouwen zijn als levende fossielen. De blauwe reuzensterren bevinden zich in de Draaikolknevel M51. Ze zijn uitzonderlijk zwaar, zijn ongeveer een miljoen keer helderder dan de zon en zijn pas kort geleden gevormd.

Waarom de sterren zo zwaar zijn, werd duidelijk toen de naburige kern van de Draaikolknevel werd onderzocht. Daarin blijkt zich een enorme concentratie van twintig miljoen sterren te bevinden. De opeenhoping van sterren zendt zoveel ultraviolet licht uit dat alle moleculen en stofdeeltjes tot op een afstand van ruim duizend lichtjaar worden afgebroken. Het gevolg is dat gaswolken daar geen moleculen en stofkorreltjes bevatten. De waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop laten zien dat bij die omstandigeheden alleen maar superzware sterren worden gevormd. Dus net zoals dat was voorspeld voor het nog piepjonge heelal.

“Nu er een plaats is gevonden waar sterren bijna net zo worden gevormd als in het vroege heelal, kan dat allereerste stervormingsproces nader worden bestudeerd,“ zegt prof. Lamers, die op 20 februari samen met zijn mede-onderzoekers een artikel over dit onderzoek publiceert in ‘The Astrophysical Journal’: “Zo kan dan misschien toch het raadsel van de eerste sterren worden opgelost door metingen die we feitelijk veertien miljard jaar te laat uitvoeren.”

http://www.esa.int/ESA_in_your_country/ ... _fossielen