Webb laat zien hoe chaotische sterrenstelsels worstelden om tot rust te komen in het vroege heelal

Sterrenstelsels zoals onze eigen Melkweg zien er op de plaatjes uit als sierlijke spiraalstelsels met een duidelijke, geordende structuur. Maar dankzij James Webb weten we nu dat het er in het vroege heelal heel anders aan toe ging. Enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal wemelde het universum van de wervelende, instabiele en ‘rommelige’ sterrenstelsels.

Onderzoekers van de University of Cambridge analyseerden ruim 250 jonge sterrenstelsels die zijn geboren tussen 800 miljoen en 1,5 miljard jaar na de oerknal. De astronomen concluderen deze week in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dat de meeste van die vroege stelsels nog verre van stabiel waren. De galactische peuters hadden veel moeite om zich te ontwikkelen tot de mooie, draaiende schijven die we nu kennen.

Een onrustig begin

“Het is niet zo dat we een paar spectaculaire uitzonderingen uitlichten in onze studie. Dit is de eerste keer dat we juist een hele populatie aan sterrenstelsels tegelijk kunnen bestuderen”, zegt hoofdonderzoeker Lola Danhaive van het Kavli Institute for Cosmology in Cambridge. “We zijn op een enorme variatie gestuit. Sommige sterrenstelsels beginnen zich al te ordenen in een draaibeweging, maar de meeste zijn nog erg chaotisch. We zien gaswolken die uitgespreid zijn over grote afstanden en alle kanten op bewegen.”

Door het analyseren van de nieuwe Webb-beelden weten we nu dat sterrenstelsels zich pas geleidelijk tot ordelijke structuren ontwikkelden. In de beginperiode veroorzaakten snelle stervorming en zwaartekrachtinstabiliteit zoveel chaos dat veel jonge stelsels moeite hadden om “tot rust te komen”.

Dit is het meest gedetailleerde beeld tot nu toe van hoe sterrenstelsels zich slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal vormden. Bron: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

Webb ziet wat voorheen onmogelijk was

Het team gebruikte de NIRCam-camera van JWST in een speciale ‘grism mode’, zodat het mogelijk werd om licht van geïoniseerd waterstofgas in extreem verre sterrenstelsels op te vangen. Danhaive schreef zelf de software die nodig was om die complexe data te ontcijferen en te combineren met beelden uit andere Webb-opnames. Zo konden de wetenschappers voor het eerst nauwkeurig meten wat voor bewegingen het gas maakte binnen in alle onderzochte sterrenstelsels.

“We hadden aanwijzingen uit eerdere resultaten dat er al vroeg grote, goed geordende schijven ontstonden uit de vroege nevels en gaswolken, maar dat klopte niet met onze modellen”, vertelt onderzoeker Sandro Tacchella van het Kavli Institute en het Cavendish Laboratory. “We hebben honderden lichtere sterrenstelsels bestudeerd in plaats van een of twee zware. Daardoor zien we nu het grotere geheel en dat past veel beter bij de theorie. De eerste sterrenstelsels waren turbulent, instabiel en chaotisch. Ze groeiden via intergalactische botsingen en periodes van heftige stervorming langzaam maar zeker uit tot de sierlijke spiraalstelsels die we nu kennen.”

De brug tussen chaos en kosmische orde

Volgens de onderzoekers helpt de studie een belangrijke periode in de kosmische geschiedenis te overbruggen, namelijk die tussen het ’tijdperk van reïonisatie’, toen de eerste sterrenstelsels ontstonden en het ‘kosmische middaguur’, het tijdperk waarin de vorming van sterren en zwarte gaten haar hoogtepunt bereikte. “We laten zien hoe de bouwstenen van sterrenstelsels geleidelijk veranderden van chaotische klonten in ordelijke structuren en hoe stelsels zoals de Melkweg uiteindelijk konden ontstaan”, legt Danhaive uit.

Dit is pas het begin

De resultaten laten eens te meer zien hoe waanzinnig goed de James Webb-telescoop is in het bestuderen van de dynamiek van het jonge heelal. In toekomstig onderzoek worden deze gegevens gecombineerd met waarnemingen van koud gas en stof om een nog vollediger beeld te krijgen van hoe de eerste sterrenstelsels zich ontwikkelden van jeugdige chaos tot volwassen symmetrie. “Dit is nog maar het begin”, schetst Tacchella. “Met meer data kunnen we het pad naar volwassenheid van deze turbulente systemen nog nauwkeuriger uittekenen. Dan weten we precies hoe ze konden uitgroeien tot de elegante spiraalstelsels die we nu aan de nachtelijke hemel zien schitteren.”