Op zoek naar de eerste generatie sterren

De eerste generatie sterren die straalden in een toen nog donker heelal bestonden uit waterstof en helium. Dat moest wel, want zwaardere elementen waren er toen nog niet. ‘Nog nooit heeft iemand zo’n eerste generatie ster geobserveerd,’ vertelt RUG-onderzoeker Else Starkenburg, ‘en er zijn ook nog maar zo’n veertig sterren van relatief vroege generaties gevonden.’ Starkenburg is betrokken bij de internationale programma’s WEAVE en 4MOST, die met nieuwe instrumentatie voor miljoenen sterren in de noordelijke en zuidelijke hemel gaat bestuderen waar ze van gemaakt zijn. ‘Hiermee verwachten we veel meer vroege generatie sterren te vinden. En dat opent mogelijkheden voor heel nieuwe onderzoeksvragen.’

FSE Science Newsroom | Charlotte Vlek

Onze zon bestaat voornamelijk uit waterstof (92,1 procent van de deeltjes) en helium (7,8 procent van de deeltjes). Maar er zitten ook heel kleine hoeveelheden in van bijvoorbeeld ijzer, silicium en magnesium. Dat kan alleen maar afkomstig zijn van andere, oudere sterren. Starkenburg: ‘Ook onze aarde en wijzelf bestaan uit materialen die niet van de zon kunnen komen, maar in andere sterren zijn ontstaan. We zijn gemaakt van sterrenstof.’

Belangrijke elementen zoals koolstof, dat cruciaal is voor al het leven, zijn ontstaan in een kringloop van leven en sterven, legt Starkenburg uit. In het binnenste van de eerste generatie sterren werd waterstof samengeperst tot helium: kernfusie, een proces dat enorm veel energie produceert. Als alle waterstof is omgezet stopt de kernfusie en zal de ster onder invloed van zwaartekracht ineenklappen. Dat voert de druk in het binnenste weer op, waardoor de ster kan overgaan tot kernfusie met zwaardere elementen. Dit levert nóg zwaardere elementen op, tot ijzer aan toe.

Aan zijn levenseinde zal de ster instorten, wat een schokgolf teweeg brengt die leidt tot een supernova, en de vorming van nog meer zwaardere elementen. De restanten van de ster worden het heelal in geslingerd, en uit dit materiaal vormt zich de volgende generatie sterren, die naast waterstof en helium ook zwaardere elementen uit de vorige generatie bevat.

De erfenis van een ster

‘Aan de buitenkant van een ster kun je zien met welke elementen hij zijn leven is begonnen,’ legt Starkenburg uit. ‘Als daar bijvoorbeeld ijzer aanwezig is, weet je zeker dat er restanten van een supernova tussen zitten.’ Zo is dus ook onze zon een product van zijn ‘erfenis’. De zon torst zelfs bagage van vele generaties mee, legt Starkenburg uit: ‘De verhoudingen tussen elementen zoals magnesium, koolstof en ijzer zeggen iets over de voorgeschiedenis. Onze zon is tamelijk gemiddeld qua samenstelling, wat duidt op goed gemixt materiaal van vele generaties aan supernova’s die er aan vooraf gegaan zijn. Als een ster juist een ongebruikelijke samenstelling heeft en daarnaast heel erg weinig zware elementen, dan zal het eerder het resultaat zijn van één supernova.’

Sterrenkundigen van over de hele wereld zijn naarstig op zoek naar de vroegste generaties sterren. De James Webb Space Telescope (JWST) kan tot heel ver in het heelal kijken, en vangt daardoor licht op dat lang geleden door sterren is uitgezonden. Starkenburg zoekt juist liever dichtbij naar sterren uit de vroegste generatie, omdat ze daardoor meer details op kleinere schaal kan waarnemen: ze zoekt daarom in ons eigen Melkwegstelsel en in dwergstelsels in de buurt. Tien jaar geleden zette Starkenburg de Pristine Survey op, een zoektocht naar de vroegste sterren, waarvoor ze een speciale filter ontwikkelde waarmee ze sterren die tot vroege generaties behoren gemakkelijker kan identificeren en selecteren voor vervolgonderzoek (zie kader).

In 2022 ontdekte Starkenburg samen met internationale collega’s dankzij deze filter de meest metaalarme verzameling sterren die ooit gevonden is. ‘Dat was een sterrenstroom die waarschijnlijk allemaal in hele korte tijd uit een gaswolk zijn gevormd. We wisten toen nog niet dat zo’n bolhoop al zo vroeg in de evolutie van het heelal kon ontstaan. Maar met onze vondst werd dat in een klap duidelijk.’

Een interessante tijd

‘Het is nu een heel interessante tijd,’ vertelt Starkenburg. ‘Juist omdat wij dichtbij naar dezelfde dingen kijken als de James Webb ver weg. En het blijkt dat onze waarnemingen op interessante manieren met elkaar overeenkomen!’ Zowel dichtbij als ver weg zagen ze bijvoorbeeld sterren, of systemen in het geval van JWST, waarin buitengewoon veel stikstof aanwezig is. Voor sommige sterren is dat verhoudingsgewijs wel honderd tot duizend keer zoveel als je zou verwachten. En dat terwijl de zwaardere elementen die daar eigenlijk bij horen ontbreken en ook andere elementen vreemde patronen laten zien. Hoe kan dat? ‘We denken nu dat er misschien een speciaal soort supernova in de eerste  generatie moet zijn geweest, zodat een groter deel van de ster in een zwart gat is opgeslokt. Dat zou de scheve verhoudingen die we zien kunnen verklaren.’

‘Eigenlijk wil je weten: is wat we zien in de metingen normaal, ging het er destijds echt structureel anders aan toe? Verliep een typische supernova bij die vroege sterren misschien heel anders? Is dit afhankelijk van waar in het universum zo’n ster gevormd werd? Maar momenteel hebben we zo weinig van die vroege sterren gevonden, dat je er eigenlijk nog geen statistiek op kunt bedrijven.’

Starkenburg is nu druk bezig met de laatste voorbereidingen voor 4MOST: een toevoeging van extra hardware en software bij de bestaande telescoop van het European Southern Observatory in Chili om duizenden sterspectra tegelijk te kunnen bestuderen. ‘De laatste wetenschappelijke tests zijn net succesvol afgerond. Dit najaar gaan we van start! En we verwachten dat we hiermee echt veel meer vroege sterren gaan vinden. Misschien gaan we wel van veertig naar vierhonderd. En dat betekent dat je echt een heel ander soort vragen kunt gaan stellen. Dan kun je op zoek gaan naar patronen.’ 

Lees meer: