Decennialang probeerden astronomen met Hubble een glimp op te vangen van de eerste sterren die oplichtten in het heelal. De kleine sterrenstelsels die de kosmos opbouwden, waren echter te zwak om te zien - zelfs met de meest geavanceerde instrumenten. Nu hebben astronomen eindelijk twee dingen aan hun kant: de Webb-ruimtetelescoop en een beetje kosmisch geluk.
In een recent artikel in Nature gebruikte een team onder leiding van Kimihiko Nakajima van de Kanazawa Universiteit in Japan de James Webb Space Telescope om een ultraflauw sterrenstelsel genaamd LAP1-B te observeren zoals het bestond ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal. Het is het meest chemisch primitieve sterrenstelsel dat we ooit hebben gezien - en dat wil wat zeggen, gezien het aantal primitieve dingen dat we hebben opgespoord.
LAP1-B staat 13 miljard lichtjaar verwijderd. Zelfs JWST's enorme, goudgecoate berylliumspiegels waren niet genoeg. Het team zag het dankzij een enorme cluster van sterrenstelsels genaamd MACS J046, die de ruimtetijd tussen ons en LAP1-B vervormt als een kosmische lachspiegel. "Het sterrenstelsel werd sterk vergroot door het gravitatielenzen-effect," zei Nakajima. Concreet verhoogde de vervormde ruimtetijd de helderheid van LAP1-B met ongeveer een factor 100.
Zelfs met die boost is LAP1-B zo zwak dat noch JWST noch Hubble de stellaire continuum kon detecteren - het gestage achtergrondlicht van zijn sterren. Voor Nakajima en collega's was dat op zich al een aanwijzing. Wetende de afstand en de telescoopgevoeligheid, berekenden ze de harde bovengrens van LAP1-B's stellaire massa: 3.300 zonnen. Dat is een afrondingsfout vergeleken met de Melkweg's ruwweg 100 miljard zonsmassa's.
Het meeste licht dat JWST's spiegels bereikte, kwam niet van sterren maar van gloeiend gas. Bij het onderzoeken van dat gas realiseerde het team zich dat LAP1-B het dichtst in de buurt komt van de eerste ongerepte sterrenstelsels die we hebben waargenomen. De gloed komt van hoogenergetische straling van massieve sterren die interstellaire gaswolken raken, waardoor ze fluoresceren. Met JWST's Near-Infrared Spectrograph braken de onderzoekers het licht in een spectrum en zochten naar emissielijnen die de chemische samenstelling aangeven.
"We wilden meten hoeveel zuurstof aanwezig was," zei Nakajima. De analyse onthulde een enorm tekort aan elementen zwaarder dan waterstof en helium. De gasfase zuurstof-waterstofverhouding bedroeg slechts 0,4 procent van wat we in onze zon vinden. Nog een detail: drievoudig geïoniseerd koolstof - een toestand waarin een koolstofatoom de helft van zijn zes elektronen verliest. Het verwijderen van die elektronen vereist extreem-ultraviolette fotonen met energieën boven 47,9 elektronvolt. Standaardsterren, zelfs massieve in onze buurt, zijn niet heet genoeg. De sterren die zo heet konden worden, suggereert het team, waren de allereerste die in het heelal ontbrandden - uitsluitend gemaakt van waterstof en helium uit de oerknal, zonder zware elementen om af te koelen tijdens hun vorming. "Zulke sterren zouden moeten zijn gevormd uit oergas," zei Nakajima.
De sterren van vandaag, inclusief onze zon, zijn Populatie I. Oudere in de galactische halo zijn Populatie II, met veel lagere zware elementen. Populatie III-sterren waren de eerste - getheoretiseerd als gewelddadige monsters met massa's honderden keren die van de zon, samengeperst in kleine volumes, extreem heet brandend en jong stervend in supernovae. Nakajima's team vond waarschijnlijk sporen van die explosies in LAP1-B.
Ondanks dat het ongelooflijk arm is aan zware elementen, heeft LAP1-B een ongewoon hoge koolstof-zuurstofverhouding - hoger dan die van onze zon. De onderzoekers denken dat het antwoord ligt in hoe die massieve eerste generatie sterren stierf. Wanneer een Populatie III-ster instort, wordt zijn kern een zwart gat, maar de supernova is niet energetisch genoeg om de ster uit elkaar te blazen. "Hun zwaartekrachtbindingsenergie is sterker dan bij de gebruikelijke massieve sterren," zei Nakajima. De instorting resulteert in een zwakke supernova met significante terugval: zwaardere elementen zoals zuurstof worden voorbij de waarnemingshorizon gezogen, terwijl lichtere buitenlagen rijk aan koolstof ontsnappen. LAP1-B's chemische samenstelling ziet eruit als een vingerafdruk van gas van Populatie III-supernovae.
Nog een aanwijzing: gassnelheid. Door Dopplerverbreding van