Een drietal vage objecten (omcirkeld) vastgelegd in het diepe beeld van de James Webb Space Telescope van de melkwegcluster SMACS 0723 vertonen eigenschappen die opmerkelijk veel lijken op zeldzame, kleine sterrenstelsels die « groene erwten » worden genoemd en die veel dichter bij huis zijn gevonden. De massa van de cluster maakt het tot een zwaartekrachtlens, die het uiterlijk van achtergrondstelsels zowel vergroot als vervormt. We zien deze vroege erwten zoals ze bestonden toen het universum ongeveer 5% van zijn huidige leeftijd van 13,8 miljard jaar was. De verste erwt, links, bevat slechts 2% van de hoeveelheid zuurstof van een sterrenstelsel zoals het onze en is misschien wel het meest chemisch primitieve sterrenstelsel dat tot nu toe is geïdentificeerd. Krediet: NASA, ESA, CSA en STScI
Een analyse van verre sterrenstelsels vastgelegd door NASA’s James Webb-ruimtetelescoop onthult dat ze extreem jong zijn en opmerkelijke overeenkomsten vertonen met een zeldzaam type klein sterrenstelsel dat bekend staat als « groene erwten » en dat bestaat in onze kosmische achtertuin.
« Met gedetailleerde chemische vingerafdrukken van deze vroege sterrenstelsels zien we dat ze misschien wel het meest primitieve sterrenstelsel bevatten dat tot nu toe is geïdentificeerd. Tegelijkertijd kunnen we deze sterrenstelsels vanaf het begin van het heelal verbinden met vergelijkbare sterrenstelsels in de buurt, die we veel gedetailleerder kunnen bestuderen”, zegt James Rhoads, een astrofysicus bij NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die de bevindingen presenteerde op de 241e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle.
Een paper met de resultaten, geleid door Rhoads, werd onlangs gepubliceerd in De Astrofysische dagboekbrieven.
Groene erwtenstelsels werden in 2009 ontdekt en benoemd door vrijwilligers die deelnamen aan Galaxy Zoo, een project waarbij burgerwetenschappers sterrenstelsels helpen classificeren in afbeeldingen, te beginnen met die van de Sloan Digital Sky Survey. Erwten vielen op als kleine, ronde, onopgeloste stippen met een duidelijk groene tint, een gevolg van zowel de kleuren die zijn toegewezen aan verschillende filters in de samengestelde beelden van het onderzoek als een eigenschap van de sterrenstelsels zelf.
De kleuren van het groene erwtenstelsel zijn ongebruikelijk omdat een aanzienlijk deel van hun licht afkomstig is van fel gloeiende gaswolken. De gassen zenden licht uit op specifieke golflengten – in tegenstelling tot sterren, die een regenboogachtig spectrum van continue kleuren produceren. Erwten zijn ook vrij compact, meestal slechts ongeveer 5000 lichtjaar in doorsnee of ongeveer 5% van de grootte van onze Melkweg heelal.
« Erwten zijn misschien klein, maar hun stervormingsactiviteit is ongebruikelijk intens voor hun grootte, dus produceren ze helder ultraviolet licht », zegt Keunho Kim, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Cincinnati en lid van het analyseteam. « Dankzij ultraviolette beelden van groene erwten van Hubble en grondonderzoek van vroege stervormende sterrenstelsels, is het duidelijk dat ze beide deze eigenschap delen. »
In juli 2022 hebben NASA en haar partners in de Webb-missie het diepste en scherpste infraroodbeeld vrijgegeven van het verre universum dat tot nu toe is gezien, duizenden sterrenstelsels vastleggen in en achter een cluster die bekend staat als SMACS 0723. De massa van de cluster maakt het tot een zwaartekrachtlens, die het uiterlijk van achtergrondstelsels zowel vergroot als vervormt. Onder de zwakste sterrenstelsels achter de cluster bevond zich een drietal compacte infraroodobjecten die eruit zagen alsof ze verre verwanten van groene erwten zouden kunnen zijn. Het verste van deze drie sterrenstelsels werd ongeveer 10 keer vergroot, wat een aanzienlijke hulp van de natuur bood bovenop de ongekende mogelijkheden van de telescoop.
Webb deed meer dan alleen het cluster in beeld brengen – het is Nabij-infrarood spectrograaf (NIRSpec) instrument legde ook de spectra vast van geselecteerde sterrenstelsels in de scène. Toen Rhoads en zijn collega’s deze metingen onderzochten en corrigeerden voor de golflengte-uitbreiding als gevolg van de uitbreiding van de ruimte, zagen ze karakteristieke kenmerken uitgezonden door zuurstof, waterstof en neon in een verbluffende gelijkenis met die van nabije groene erwten.
Bovendien maakten de Webb-spectra het voor het eerst mogelijk om de hoeveelheid zuurstof in deze kosmische dageraadstelsels te meten.
Terwijl sterren energie produceren, zetten ze lichtere elementen zoals waterstof en helium om in zwaardere. Wanneer sterren aan het einde van hun leven exploderen of hun buitenste lagen verliezen, worden deze zwaardere elementen opgenomen in het gas dat de volgende stellaire generaties vormt, en het proces gaat door. Gedurende de kosmische geschiedenis hebben sterren het universum gestaag verrijkt.
Twee van de Webb-sterrenstelsels bevatten zuurstof op ongeveer 20% van het niveau in onze Melkweg. Ze lijken op typische groene erwten, die niettemin minder dan 0,1% uitmaken van de nabije sterrenstelsels die door de Sloan-survey zijn waargenomen. Het derde bestudeerde sterrenstelsel is zelfs nog ongebruikelijker.
« We zien deze objecten zoals ze bestonden tot 13,1 miljard jaar geleden, toen het universum ongeveer 5% van zijn huidige leeftijd had », zei Goddard-onderzoeker Sangeeta Malhotra. « En we zien dat het in alle opzichten jonge sterrenstelsels zijn – vol jonge sterren en gloeiend gas dat weinig chemische producten bevat die zijn gerecycled van eerdere sterren. Een van hen bevat inderdaad slechts 2% van de zuurstof van een sterrenstelsel zoals het onze en is misschien wel het meest chemisch primitieve sterrenstelsel dat tot nu toe is geïdentificeerd.”
Referentie: « Finding Peas in the Early Universe with JWST » door James E. Rhoads, Isak GB Wold, Santosh Harish, Keunho J. Kim, John Pharo, Sangeeta Malhotra, Austen Gabrielpillai, Tianxing Jiang en Huan Yang, 3 januari 2023, De Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acaaaf
NIRSpec is gebouwd voor ESA door Airbus Industries. Dankzij de reeks van bijna een half miljoen microshutters – kleine deuren die kunnen worden geopend of gesloten om licht binnen te laten of te blokkeren – kan het spectra van maximaal 100 individuele objecten tegelijk vastleggen. De microshutter-array en detectorsubsystemen zijn vervaardigd door NASA.
De James Webb-ruimtetelescoop, een internationale missie onder leiding van NASA met haar partners ESA en CSA (Canadian Space Agency), is ‘s werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium. NASA Headquarters houdt toezicht op de missie voor het Directoraat Wetenschapsmissie van het bureau. NASA’s Goddard Space Flight Center beheert Webb voor het bureau en houdt toezicht op de werkzaamheden aan de missie die wordt uitgevoerd door het Space Telescope Science Institute, Northrop Grumman en andere missiepartners. Naast Goddard hebben verschillende NASA-centra bijgedragen aan het project, waaronder het Johnson Space Center van het bureau in Houston, het Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, het Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, het Ames Research Center in Silicon Valley in Californië en andere.
