Waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop veroorzaken verwarring over de tijdlijn van het heelal. De reïonisatieperiode, die volgens huidige theorieën ongeveer een miljard jaar na de oerknal eindigde, werd mogelijk al veel eerder afgerond.
De reïonisatieperiode was een belangrijke fase in de geschiedenis van het heelal. In deze periode begonnen de eerste sterren en sterrenstelsels te stralen, wat een grote verandering teweeg bracht in hun omgeving. De straling transformeerde vrijwel al het waterstof in het heelal.
Volgens huidige theorieën, gebaseerd op eerdere metingen, was deze transformatie ongeveer een miljard jaar na de oerknal voltooid. Maar nieuwe metingen van de James Webb-ruimtetelescoop vertellen een ander verhaal. Die wijzen erop dat de reïonisatieperiode zeker 350 miljoen jaar eerder eindigde dan gedacht. Deze bevindingen verschenen in vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Koud en neutraal
De eerste 380 duizend jaar na de oerknal bestond het universum uit een heet plasma van positief geladen kerndeeltjes: protonen en negatief geladen elektronen. Het heelal dijde uit en het plasma koelde af, waardoor de protonen en elektronen samen ongeladen waterstofatomen konden vormen. Ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal ontstonden uit dat neutrale gas van waterstofatomen de eerste sterren en sterrenstelsels.
Die eerste sterren zonden intens licht en uv-straling uit. Die uv-straling was zo krachtig dat het de neutrale waterstofatomen in de omgeving weer kon opsplitsen in protonen en elektronen. Dit proces heet ionisatie – en de fase waarin dit gebeurde heet de reïonisatieperiode.
Dit gebeurde overal, bij sterren door het hele heelal, en had een enorm effect. ‘Ongeveer 75 procent van alle materie in het universum is waterstof’, vertelt sterrenkundige Julian Muñoz van de Universiteit van Texas, Austin, in de Verenigde Staten. Al dat waterstofgas veranderde van koud en neutraal in heet en elektrisch geladen. Dat beïnvloedde hoe snel en waar er nieuwe sterren konden vormen. ‘Daardoor speelde reïonisatie een belangrijke rol in het ontstaan van het kosmische web dat we nu om ons heen zien.’
Einde reïonisatie
Als vrijwel al het waterstofgas in het heelal geïoniseerd is, komt de reïonisatieperiode weer tot een eind. Maar wanneer dit precies gebeurde, kunnen sterrenkundigen enkel indirect afleiden uit waarnemingen.
Sterrenkundigen kijken bijvoorbeeld naar de kosmische achtergrondstraling, die vlak na de oerknal werd uitgezonden. Deze straling reisde tijdens de reïonisatieperiode door het heelal, en botste onderweg op de vrije elektronen die tijdens de reïonisatie los waren geslagen. Die botsingen hebben een effect op de kosmische achtergrondstraling die nu nog steeds te meten is.
‘De achtergrondstraling geeft ons dus een redelijk idee van hoeveel vrije elektronen er op een bepaald moment in het heelal waren, vergeleken met neutrale waterstofatomen’, vertelt Muñoz. ‘Als je die informatie in onze theoretische modellen stopt, dan wijst dat erop dat de reïonisatie ongeveer een miljard jaar na de oerknal eindigde.’
Ook waarnemingen van andere straling uit het vroege heelal, waarin gespeurd is naar vingerafdrukken van neutraal waterstof of vrije elektronen, wijzen erop dat deze periode ongeveer een miljard jaar na de oerknal ten einde kwam.
Webb-telescoop
De Webb-telescoop kijkt op een andere manier naar de reïonisatieperiode. De metingen van deze telescoop vertellen sterrenkundigen namelijk hoeveel ioniserende uv-straling de eerste sterrenstelsels uitzonden. Daaruit blijkt dat er in die periode meer sterrenstelsels waren die samen meer ioniserende straling uitzonden dan gedacht. Er was zo veel straling dat de reïonisatie 550 tot 650 miljoen jaar na de oerknal al afgerond zou moeten zijn.
Maar dit strookt niet met de metingen van onder meer de kosmische achtergrondstraling. Er is dus iets geks aan de hand. Misschien gaat er iets mis bij de metingen – van de Webb-telescoop bijvoorbeeld – of de modellen waarmee sterrenkundigen rekenen kloppen niet. Of de gemeten straling bereikt het waterstofgas niet. ‘Er is namelijk een subtiliteit’, zegt Muñoz. ‘Niet alle straling zal het sterrenstelsel verlaten. Slechts een fractie ontsnapt, en zelfs de machtige Webb-telescoop kan niet bepalen hoe groot die fractie is.’
Dit raadsel zullen sterrenkundigen moeten oplossen voordat ze de tijdlijn van het heelal gaan aanpassen. Muñoz: ‘De Webb-telescoop werpt nieuw licht op reïonisatie, en we moeten er gebruik van maken om deze spannende periode in de kosmos beter te begrijpen.’
