Te veel sterrenstelsels, te vroeg? JWST zet model van het vroege heelal op scherp
Vlak na de oerknal zou het heelal nog maar net begonnen zijn met het bouwen van sterrenstelsels. Toch ziet de ruimtetelescoop James Webb (JWST) daar al grote, zware sterrenstelsels en verrassend heldere zwarte gaten. Dat is vreemd, want volgens de gangbare theorie over hoe het heelal zich ontwikkelde, zou daar nog helemaal geen tijd voor geweest moeten zijn.
Een internationaal onderzoeksteam dook in dit raadsel. Ze onderzochten of de bestaande natuurkunde van kosmische structuurvorming, het proces waarbij zwaartekracht gas en materie samentrekt tot sterrenstelsels, wel overeenkomt met wat JWST ziet.
Hoe bouw je een sterrenstelsel?
Sterrenstelsels ontstaan in zogeheten donkere-materiehalo's: onzichtbare wolken van donkere materie die door hun zwaartekracht gewoon gas aantrekken. Hoe meer massa zo'n halo heeft, hoe groter het sterrenstelsel dat erin kan groeien. Wetenschappers kunnen met wiskundige modellen berekenen hoeveel van zulke halo's er op elk moment in de kosmische geschiedenis zouden moeten bestaan, en hoe zwaar ze zijn. Dat heet de "halo-massafunctie".
Het onderzoeksteam bouwde een raamwerk dat deze berekeningen koppelt aan wat je daadwerkelijk zou moeten zien: hoeveel sterrenstelsels, hoe zwaar, en hoeveel heldere zwarte gaten. Ze gebruikten twee verschillende versies van deze berekening, gebaseerd op verschillende computersimulaties van het heelal, om te testen hoe gevoelig de voorspellingen zijn voor kleine aanpassingen.
Zeldzame zware jongens
De zwaarste sterrenstelsels en de helderste zwarte gaten die JWST vindt, zitten in de uiterste staart van wat mogelijk is: het zijn de zeldzaamste, zwaarste exemplaren die er kunnen bestaan op zo'n vroeg moment. En juist daar maakt een klein verschil een enorm verschil. Een beetje meer massa, een iets efficiëntere omzetting van gas naar sterren, of een andere aanname over hoe vaak zwarte gaten actief stralen: het kan het aantal voorspelde zware objecten met veelvouden laten schommelen.
Het team vergeleek hun twee rekenmethodes met elkaar en zag dat de onzekerheid vooral groot wordt bij de allervroegste tijdstippen, rond een roodverschuiving van 10 (roodverschuiving is een maat voor hoe ver terug in de tijd je kijkt, hoe hoger het getal, hoe vroeger in de kosmische geschiedenis). Daar kan de onzekerheid in het aantal beschikbare zware halo's het beeld flink beïnvloeden.
Belangrijke conclusie: het is niet genoeg als één gevonden sterrenstelsel of zwart gat past bij de theorie. Er moeten ook genoeg geschikte "huizen" (de donkere-materiehalo's) zijn om al die waargenomen objecten in onder te brengen. Je kunt niet gewoon één uitzonderlijk zwaar object verklaren, je moet verklaren waarom er zoveel van zijn.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit onderzoek bewijst niet dat het standaardmodel van het heelal fout is. Het laat zien waar de spanning tussen theorie en waarneming het grootst is, en biedt een nieuw rekenraamwerk om dat preciezer te testen. Of de oplossing ligt in aangepaste kosmologie, in onverwacht efficiënte sterrenstelselvorming, of in iets anders, is nog niet vastgesteld.
Dit soort onderzoek is belangrijk omdat het laat zien dat JWST niet zomaar losse, toevallige buitenbeentjes vindt. De telescoop test, object voor object, de fundamenten van ons begrip van hoe het heelal zijn eerste sterrenstelsels bouwde. Elke nieuwe ontdekking van een zwaar vroeg sterrenstelsel is een extra stresstest voor die fundamenten.
Bron: Halo Mass Function Constraints on Early Galaxy and AGN Populations in the JWST Era