James Webb-ruimtetelescoop breekt records voor oudste en verste sterrenstelsels

De Amerikaans-Europese-Canadese James Webb-ruimtetelescoop (James Webb Space Telescope, JWST) lijkt de hooggespannen verwachtingen in te lossen. 

Op 12 juli werden de eerste wetenschappelijke waarnemingen van de telescoop de wereld ingestuurd. Het ging om zogenoemde 'Deep Field' beelden, grote beelden met een lange belichtingstijd, zodat ook objecten gedetecteerd kunnen worden die erg weinig straling uitsturen. De data werden ook op het internet gepost, zodat astronomen over heel de wereld er meteen mee aan de slag konden gaan. 

En dat hebben ze ook gedaan. Ze zijn enthousiast op zoek gegaan naar oude en verre sterrenstelsels, zodat er nu al verschillende kandidaten zijn gevonden die het record zouden kunnen breken van het oudste en verste sterrenstelsel dat ooit waargenomen is door de 'oude' Hubble-ruimtetelescoop. 

Het oudste en verste, bevestigde sterrenstelsel dat ooit door de Hubble is waargenomen, is GN-z11. Dat is zo'n 13,4 miljard jaar oud en dateert dus van zo'n 420 miljoen jaar na het begin van het heelal, de oerknal, die zo'n 13,8 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden. Door het uitdijen van het heelal bevindt GN-z11 zich nu op zo'n 32 miljard lichtjaar van ons.

Die expansie of uitdijing van het heelal ligt ook aan de basis van de 'z11' in de naam van het sterrenstelsel GN-z11. De z duidt namelijk de roodverschuiving aan.  

Het zichtbaar licht van de oudste sterrenstelsels heeft immers een sterke roodverschuiving ondergaan. Door de uitdijing van het heelal sinds de oerknal worden de golflengten van licht uitgerekt, ze worden dus langer.

En als zichtbaar licht een langere golflengte krijgt, wordt het 'roder'. In het geval van de oude sterrenstelsels is hun licht overgegaan van zichtbaar licht naar infrarood, straling die wij niet kunnen zien maar waarnemen als warmte. De JWST is ontworpen om net die straling te kunnen waarnemen, wat de telescoop dus erg geschikt maakt om die erg oude sterrenstelsels waar te nemen. 

Bij een oudere lichtbron heeft de uitdijing van het heelal langer ingewerkt op haar licht en is de roodverschuiving dus meer uitgesproken. De roodverschuiving kan je meten en aan de hand daarvan kan je de ouderdom van de lichtbron bepalen.  

Astronomen duiden de roodverschuiving aan met z en een getal, waarbij een hoger getal een sterkere roodverschuiving en dus een hogere ouderdom betekent. Zo komt z1 overeen met zo'n 7,7 miljard jaar geleden en z10 met zo'n 13,2 miljard jaar. 

GN-z11 heeft in feite een z-waarde van 11,09 en is dus zo'n 13,4 miljard jaar oud.  

Al een week nadat de eerste wetenschappelijke data van de JWST gepubliceerd waren, verscheen er een studie onder leiding van Rohan Naidu van het Center for Astrophysics van Harvard & Smithsonian over twee mogelijke oude sterrenstelsels, GLASS-z11 en GLASS-z13 of GL-z13. 

GLASS-z11 zou het oudste sterrenstelsel van de Hubble, GN-z11, hoogstens evenaren, maar GL-z13 zou wel degelijk ouder zijn en de nieuwe recordhouder worden, met een ouderdom van 13,5 miljard jaar. Dat is zo'n 300 miljoen jaar na de oerknal en dus 100 miljoen jaar ouder dan GN-z11. 

De studie is wel een zogenoemde 'preprint', een studie die dus nog niet nagelezen is door vakgenoten en de ontdekking is ook nog niet bevestigd door spectroscopische analyse. 

Daarbij wordt het licht van een object uitgesplitst in een spectrum wat toelaat om de eigenschappen van het ververwijderde object te bepalen en de ouderdom te bevestigen. De auteurs hebben meer observatietijd met de telescoop gevraagd om een dergelijke analyse uit te kunnen voeren. 

Nu, iets meer dan een week na de eerste studie, zijn er echter opnieuw preprints verschenen die het record van het team van Naidu zouden verbeteren, zo meldt de website space.com. 

Een team onder leiding van Haojing Yan van de University of Missouri-Colombia maakte gebruik van het zwaartekrachtlens-effect van de cluster van sterrenstelsels SMACS 0723 . Zware objecten als een cluster van sterrenstelsels vergroten het beeld van objecten die vanop aarde gezien achter hen liggen. 

Dat noemt men een zwaartekrachtlens en dankzij die lens kon het team 88 sterrenstelsels opsporen die een roodverschuiving zouden hebben die hoger ligt dan 11. Een handvol daarvan zou zelfs een roodverschuiving van 20 hebben, wat zou betekenen dat die sterrenstelsels zouden dateren van slechts 200 miljoen jaar na de oerknal. Daarmee zouden ze veruit de oudste zijn die ooit ontdekt zijn.

Een ander team onder leiding van Steven Finkelstein van de University of Texas at Austin heeft dan weer een sterrenstelsel ontdekt met een roodverschuiving van 14,3. Dat betekent dat het sterrenstelsel, dat het team 'Maisie's Galaxy' heeft genoemd naar Finkelsteins dochter, dateert van 280 miljoen jaar na de oerknal.

Een derde team, onder leiding van doctoraatsstudent Calum Donnan van de University of Edinburgh, heeft het record mogelijk nog scherper gesteld. Het heeft een sterrenstelsel ontdekt dat een roodverschuiving zou hebben van 16,7. Dat zou het terugvoeren tot zo'n 250 miljoen jaar na de oerknal. 

Ook bij deze studies moet evenwel opgemerkt worden dat het gaat om preprints en dat de ontdekkingen niet bevestigd zijn door spectroscopie. 

Duidelijk is in elk geval wel dat de JWST in staat is ver in het verleden en ver in het heelal te kijken en ons talloze nieuwe inzichten zal verschaffen.  Gedacht wordt dat de allereerste sterrenstelsels dateren van zo'n 100 miljoen jaar na de oerknal en of we die ooit in het vizier zullen krijgen, dat blijft voorlopig nog een open vraag. 

Maar zeker is wel dat de astronomen nog veel boeiende jaren staan te wachten. De JWST, die zo'n zes maanden geleden gelanceerd is, heeft brandstof aan boord om twintig jaar te functioneren.