Maak kennis met de grootouders van de zon

De vondst onthult dat de ‘grootvader’ van de zon gigantisch was, en al ontplofte de reuzenster ruim 13 miljard jaar terug als supernova, de elementen die in zijn kern zijn gesmeed, leven voort in de zon en andere sterren.

Dus voor het eerst klopt de puzzel van de hele geschiedenis van de sterren vanaf het begin van het heelal tot heden.

Sterren branden al biljoenen jaren

Wij leven op een planeet die grotendeels bestaat uit elementen als zuurstof, ijzer, silicium en aluminium, maar die waren er niet in het begin van het heelal.

De oerknal bracht alleen veel waterstof, veel helium en een heel klein beetje lithium voort – de drie lichtste elementen. Veruit de meeste andere elementen die we kennen, zijn ontstaan in sterren.

In hun gloeiend hete kern fuseren de lichte elementen tot zwaardere. De fusie van lichte kernen levert de energie van de sterren. De zware elementen zijn resten van de kernreacties waardoor sterren licht en warmte uitstralen.

De sterren die nu ontstaan, bevatten meestal waterstof en helium, plus veel andere elementen, die allemaal ontstaan zijn in de vroegere sterren.

Er moet dus ooit een eerste generatie sterren zijn geweest die volledig bestond uit waterstof, helium en lithium. Deze sterren staan, enigszins verwarrend, ook bekend als Populatie III-sterren, omdat dit het type ster is dat astronomen onlangs hebben ontdekt.

Tegenwoordig delen wetenschappers sterren in in drie generaties, die we kunnen herkennen aan hun karakteristieke samenstelling van elementen.

De eerste generatie ontstond een paar honderd miljoen jaar na de oerknal. De tweede generatie ontstond uit de resten van de eerste sterren, en sterren die vanaf circa 2,8 miljard jaar na de oerknal tot op heden zijn ontstaan, worden beschouwd als de derde generatie.

Sterren kunnen tot biljoenen jaren blijven branden, veel langer dan de 13,8 miljard jaar dat het heelal bestaat. Dus in principe zouden sommige van de allereerste sterren nu nog kunnen bestaan.

Maar de levensduur van sterren wordt bepaald door hun grootte, en niet alle sterren worden zo oud.

De grootste sterren ondervinden zo’n druk en temperatuur dat hun brandstof in een paar miljoen jaar is opgestookt.

Een middelgrote ster als de zon kan ongeveer 10 miljard jaar branden. Dat is nog altijd minder lang dan de levensduur van het heelal, maar als sommige van de eerste sterren kleiner waren dan de zon, zogeheten rode dwergsterren, dan zouden die nog steeds in ons sterrenstelsel moeten bestaan.

Maar ondanks 40 jaar zoeken zijn de astronomen er niet in geslaagd een rode dwergster te vinden met de juiste samenstelling voor een eerstegeneratiester: hij heeft geen zwaardere elementen.

Misschien is het geen wonder dat er geen eerstegeneratiesterren gevonden zijn. De meeste astronomen denken dat de oorspronkelijke sterren gigantisch waren en daarom in een paar miljoen jaar opbrandden in het nog jonge heelal.

Computermodellen van stervorming in het vroege heelal duiden erop dat de ladingen waterstof en helium die door de oerknal werden gevormd, zich hebben opgehoopt in zulke grote, dichte gaswolken dat er supersterren ontstonden met meer dan honderd keer de zonnemassa.

De elementen die ontstonden na fusie in de eerste sterren verspreidden zich in het heelal toen de sterren opbrandden en explodeerden als supernova’s. Zo werd het heelal verrijkt met zware elementen die daarna deel gingen uitmaken van de volgende generaties sterren.

In de loop van de geschiedenis van het heelal is steeds meer waterstof omgezet in zwaardere elementen, en waar de eerste generatie het moest stellen zonder elementen zwaarder dan lithium, bevatte de tweede generatie tot 0,1 procent zware elementen. Vele daarvan branden nog steeds, ook in het hart van de Melkweg.

De zon ontstond pas toen het heelal ruim 9 miljard jaar oud was, en behoort tot de derde generatie. Zij bevat ongeveer 1,8 procent zware elementen, terwijl de sterren die vandaag de dag ontstaan, wel 4 procent zware elementen hebben.

Als we ver in het heelal kijken, kijken we ook terug in de tijd, want licht doet er miljarden jaren over om van de verste sterren naar ons te reizen.

Dus als je ver genoeg kijkt, moet je de eerste sterren kunnen zien, al zijn ze lang geleden opgebrand. Maar hoe groot en fel ze ook zijn, ze zijn heel moeilijk te zien omdat ze zo ver weg staan.

Daarom heeft een team astronomen uit Japan, de VS en Australië een indirecte methode ontwikkeld om ze te vinden.

Zwart gat duidt op vroege ster

In plaats van het licht te zoeken van een eerstegeneratiester hebben onderzoekers nu sporen gevonden van zijn einde: een supernova-explosie. En hierbij kregen ze hulp van een reusachtig zwart gat.

Een zwart gat zendt zelf geen licht uit. Het zuigt wel heel veel gas aan, dat wordt verhit tot miljoenen graden, extreem fel brandt en uiteindelijk verdwijnt.

De directe omgeving van het zwarte gat is daarom te ontwaren als een hemellichaam dat een quasar wordt genoemd.

Anders dan sterren zijn quasars zo groot en helder dat ze zelfs op miljarden lichtjaren afstand duidelijk te zien zijn.

De quasar J1342 0928 wordt bijvoorbeeld aangedreven door een enorm zwart gat met een massa gelijk aan die van 800 miljoen zonnen, en in zijn licht hebben de astronomen nu de restanten van een oorspronkelijke ster gevonden.

Het quasarlicht was 13,1 miljard jaar onderweg toen het werd ontdekt door de grote Gemini North-telescoop op Hawaï.

Door het licht op te splitsen in zijn golflengten en het lichtspectrum goed te bestuderen, ontdekten de astronomen dat het gas rond het zwarte gat ongewoon veel ijzer en weinig magnesium bevatte.

Computersimulaties laten zien dat een ster van de eerste generatie met 280 keer de massa van de zon zou exploderen als een ‘paarinstabiele’ supernova, met als resultaat een gaswolk met veel ijzer- en weinig magnesiumatomen.

Zo’n verdeling van elementen is moeilijk op een andere manier te verklaren. Daarom kunnen astronomen met grote zekerheid zeggen dat een van de vroegste sterren in het heelal zijn dagen eindigde in de buurt van het zwarte gat.

Rode stip is de grootvader van de zon

De ontdekking ondersteunt de theorie dat ten minste enkele van de eerste sterren reuzen waren die heel snel opbrandden en explodeerden als supernova’s.

Astronomen hebben de droom om een glimp op te vangen van de allereerste sterren terwijl ze nog aan de hemel staan te schijnen, nog steeds niet opgegeven.

Ze vertrouwen nu op de nieuwe ruimtetelescoop van NASA, James Webb, die juist is ontworpen om het vroege heelal te onderzoeken.

Zelfs met de Webb-telescoop zal het moeilijk, maar niet onmogelijk zijn om individuele sterren waar te nemen die zich gedurende de eerste miljard jaar van de geschiedenis van het heelal hebben gevormd. Astronomen hebben zelfs al een doelwit – het extreem verre object WHL0137-LS, bijgenaamd Earendel.

De eerste telescoopfoto’s van Earendel laten zien dat het waarschijnlijk een ster is, of misschien een stelsel van sterren, dat 12,9 miljard jaar geleden oplichtte.

Maar er zijn nog meer waarnemingen nodig voordat astronomen met zekerheid kunnen zeggen dat de kleine rode stip een van de eerste sterren is die het heelal verlichtte – dus of we kijken naar een van de grootouders van de zon.