JWST ziet het begin van het kosmische web

Het kosmische web is de grootschalige structuur van het universum. Als je ons universum zou kunnen zien ontvouwen vanaf de oerknal tot vandaag, zou je zien dat deze filamenten (en de leegtes ertussen) zich in de loop van de tijd vormen. Nu hebben astronomen met behulp van de JWST tien sterrenstelsels gevonden die slechts 830 miljoen jaar na het begin van het universum een zeer vroege versie van deze structuur vormen.

Het “kosmische web” begon als fluctuaties in dichtheid in het vroege universum. Een paar honderd miljoen jaar na de oerknal condenseerde materie (in de vorm van oergas) tot knopen op de kruispunten van platen en gasfilamenten in het vroege rooster. Deze knopen en filamenten herbergden de eerste sterren en sterrenstelsels. Als astronomen terugkijken in de tijd, zullen ze natuurlijk op zoek gaan naar vroege versies van het kosmische web. Dankzij JWST-technologie konden ze terugkijken op de vage, ondoorzichtige dingen die er kort na de oerknal waren.

De 10 sterrenstelsels die het team waarnam, staan opgesteld in een dun filament met een doorsnede van drie miljoen lichtjaar, bij elkaar gehouden door een heldere quasar. Zijn uiterlijk verraste het team met zijn grootte en plaats in de kosmische geschiedenis. “Dit is een van de oudste filamenteuze structuren die mensen hebben gevonden in verband met een verre quasar”, voegde Vig Wang van de Universiteit van Arizona in Tucson toe, de hoofdonderzoeker van dit programma.

Verwijder vandaag nog alle advertenties in het universum

Word lid van Patreon voor slechts $ 3!

Krijg levenslang een advertentievrije ervaring

Streef ernaar om het vroege universum en het kosmische web te begrijpen

De JWST-waarnemingen maken deel uit van een monitoringprogramma genaamd ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era. Het maakt gebruik van afbeeldingen en spectra van 25 quasars die in het verleden bestonden toen het universum begon te verlichten na de “donkere middeleeuwen”. Het idee is om de vorming van de dichtstbijzijnde sterrenstelsels te bestuderen, evenals de geboorte van de eerste zwarte gaten. Bovendien hoopt het team te begrijpen hoe het vroege universum werd verrijkt met zwaardere elementen (metalen) en hoe het allemaal gebeurde tijdens het tijdperk van reïonisatie.

Dit is een illustratie van een kunstenaar die de tijdlijn van het vroege universum laat zien met enkele van de belangrijkste tijdsperioden. Aan de linkerkant is de eerste dag van het universum, omdat intense hitte ervoor zorgde dat er niet veel gebeurde. De CMB wordt vervolgens vrijgegeven zodra het universum een beetje is afgekoeld. Vervolgens, in geel, is het neutrale universum, de tijd vóór stervorming. De waterstofatomen in het neutrale heelal zouden radiogolven moeten uitzenden die we hier op aarde kunnen waarnemen. Afbeelding tegoed: ESA - C. Carreau — Dit is een illustratie van een kunstenaar die de tijdlijn van het vroege universum laat zien met enkele van de belangrijkste tijdsperioden. Aan de linkerkant is de eerste dag van het universum, omdat intense hitte ervoor zorgde dat er niet veel gebeurde. De CMB wordt vervolgens vrijgegeven zodra het universum een beetje is afgekoeld. Vervolgens, in geel, is het neutrale universum, de tijd vóór stervorming. De waterstofatomen in het neutrale heelal zouden radiogolven moeten uitzenden die we hier op aarde kunnen waarnemen. Afbeelding tegoed: ESA – C. Carreau

ASPIRE-doelen zijn een belangrijk onderdeel van het begrijpen van de oorsprong en evolutie van het universum. “De laatste twee decennia van kosmologisch onderzoek hebben ons een goed begrip gegeven van hoe het kosmische web is gevormd en geëvolueerd. ASPIRE wil begrijpen hoe de opkomst van de oudste massieve zwarte gaten kan worden opgenomen in ons huidige verhaal over de vorming van kosmologische structuren,” legt uit. teamlid Joseph Henawi van de University of California, Santa Barbara.

READ Worden wetenschappers voor de gek gehouden door bacteriën?

Focus op vroege zwarte gaten

Quasars lokken door tijd en ruimte. Ze worden aangedreven door superzware zwarte gaten die, samen met krachtige jets, ongelooflijke hoeveelheden licht en andere emissies produceren. Astronomen gebruiken ze als standaardkaarsen voor afstandsmetingen, maar ook als een manier om de uitgestrekte gebieden van de ruimte te bestuderen waar licht doorheen gaat.

Artistieke impressie van een quasar. Ten minste één is betrokken bij vroege threads in het kosmische web. Krediet: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Minstens acht van de quasars in het ASPIRE-onderzoek hebben zwarte gaten die minder dan een miljard jaar na de oerknal zijn ontstaan. De massa van deze zwarte gaten varieert van 600 miljoen tot 2 miljard keer de massa van de zon. Dit is echt heel groot en roept veel vragen op over hun snelle groei. Om deze superzware zwarte gaten in zo’n korte tijd te kunnen vormen, moet aan twee criteria worden voldaan. Eerst moet je beginnen met groeien vanuit een superzwaar zwart gat “zaad”. Ten tweede, zelfs als dit zaadje begon met een massa gelijk aan duizend zonnen, moest het gedurende zijn hele leven nog steeds een miljoen keer meer materie verzamelen met de hoogst mogelijke snelheid’, legt Wang uit.

Om deze zwarte gaten te laten groeien zoals ze deden, hadden ze veel brandstof nodig. Hun sterrenstelsels waren ook erg massief, wat de monsterlijke zwarte gaten in hun kernen zou kunnen verklaren. Die zwarte gaten zuigen niet alleen veel materiaal op, maar hun uitstroom had ook invloed op de stervorming. Sterke winden van zwarte gaten kunnen stervorming in het gaststelsel voorkomen. Dergelijke winden zijn waargenomen in het nabije universum, maar niet direct waargenomen in het tijdperk van reïonisatie, “zei Yang. “De grootte van de wind is gerelateerd aan de structuur van de quasar. In de observaties van Webb zien we dat dergelijke winden bestonden in het vroege universum.”

READ Het geheugen van kunstmatige intelligentie weerspiegelt het menselijk brein

Waarom de leeftijd?

We horen vaak over astronomen die terug willen naar het tijdperk van reïonisatie. Waarom is zo’n raadselachtig doel? Het biedt een kijkje in een tijd waarin de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden. Na de oerknal bevond het jonge universum zich in een hete, dichte toestand. We horen het soms de soep van het oeruniversum noemen. Daarna nam de expansie het over en begon het af te koelen. Hierdoor konden elektronen en protonen zich combineren om de eerste neutrale gasatomen te vormen. Het maakte ook de verspreiding van thermische energie van de oerknal mogelijk. Astronomen detecteren deze straling. Het is roodverschoven in het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum. Astronomen noemen het de kosmische achtergrondstraling (CMB).

De eerste sterren — Een visualisatie van hoe het universum eruit zag toen het zijn laatste grote transformationele tijdperk doormaakte: het reïonisatietijdperk. Credits: Paul Gill en Simon Mach/Universiteit van Melbourne

Deze kant van het vroege heelal had lichte dichtheidsfluctuaties in de uitdijende materie. Die stof was neutrale waterstof. Er waren nog geen sterren of sterrenstelsels. Maar uiteindelijk begonnen deze gebieden met een hoge dichtheid samen te klonteren onder invloed van de zwaartekracht, waardoor ook de neutrale materie begon samen te klonteren. Dit leidde tot een verdere ineenstorting van de gebieden met een hoge dichtheid, wat uiteindelijk leidde tot de geboorte van de eerste sterren. Ze verhitten het omringende materiaal, waardoor gaten in de neutrale zones werden geprikt, waardoor er licht doorheen kon. In wezen zorgden die gaten (of bellen) in het neutrale gas ervoor dat ioniserende straling verder door de ruimte kon reizen. Het was het begin van het tijdperk van reïonisatie. Een miljard jaar na de oerknal was het heelal volledig geïoniseerd.

READ Het eerste openbare observatorium van New York City komt naar de Bronx

Dus, hoe verklaar je vroege superzware zwarte gaten?

Interessant is dat die vroege sterrenstelsels die JWST vond, samen met hun quasars, al allemaal op hun plaats waren, met superzware zwarte gaten in hun kernen. De belangrijkste vraag blijft: hoe zijn ze zo snel zo groot geworden? Hun aanwezigheid kan astronomen iets vertellen over “extra dichtheden” in het jonge universum. Ten eerste heeft het “zaadje” van een zwart gat een dicht gebied vol sterrenstelsels nodig om zich te kunnen vormen.

Tot nu toe hebben waarnemingen voorafgaand aan de ontdekking van JWST echter slechts enkele verhoogde dichtheden van sterrenstelsels gevonden rond de oudste superzware zwarte gaten. Astronomen moeten in dit tijdperk meer waarnemingen doen om uit te leggen waarom. Het ASPIRE-programma zou moeten helpen bij het oplossen van vragen over de feedback tussen de vorming van sterrenstelsels en de creatie van zwarte gaten in dit zeer vroege tijdperk van het universum. Onderweg zouden ze ook meer fragmenten van de grootschalige structuur van het kosmische web van het universum moeten zien terwijl het vorm krijgt.