Jonge sterrenstelsels verspreidden al zware elementen, maar sterrenwinden lijken zwakker dan gedacht

Hoe konden sterrenstelsels in het jonge heelal zich zo snel ontwikkelen? Twee soorten waarnemingen belichten elk een ander deel van die vraag. De James Webb-ruimtetelescoop (JWST) ziet verrijkt gas bij verre, jonge sterrenstelsels. Hubbles TEMPOS-onderzoek kijkt juist naar zware sterren in nabije, metaalarmere dwergstelsels om de sterrenkundige modellen te toetsen. Het zijn geen metingen van dezelfde objecten. 110

Verrijkt gas, vroeg in de geschiedenis

De drie door Webb onderzochte sterrenstelsels zien we zoals ze ongeveer 520 tot 650 miljoen jaar na de oerknal waren. Hun gas bevat onder meer koolstof, zuurstof en silicium. Eerdere sterren moeten die elementen dus al hebben geproduceerd en verspreid. Aanwijzingen dat verrijkt gas naar buiten beweegt, passen bij een vroege gascyclus: gas voedt stervorming, terwijl een deel van het materiaal het sterrenstelsel weer verlaat. De waargenomen uitstroom bewijst niet dat dit gas later ook terugkeerde.

Dat maakt de zoektocht naar Populatie III-sterren, de eerste sterren zonder zware elementen, ingewikkelder. Het onderzochte gas is niet meer oorspronkelijk en elementvrij. Mogelijke chemische sporen van die eerste sterren zijn bovendien geen directe waarneming van de sterren zelf. De resultaten maken nog waarneembare, elementvrije sterren in dit onderzochte gas minder aannemelijk, maar sluiten ze niet overal uit.

Hubble test de sterren achter de modellen

TEMPOS verzamelde ultraviolette spectra van 29 zware O-sterren in zes nabije, metaalarme dwergstelsels. In de sterrenkunde betekent ‘metalen’ alle elementen zwaarder dan waterstof en helium. De eerste resultaten wijzen op sterrenwinden die in de meest metaalarme omgevingen onverwacht zwak zijn. Onder ongeveer een tiende van het metaalgehalte van de zon kan hun sterkte scherper afnemen dan een geleidelijke extrapolatie voorspelt. Hoe scherp die daling is en waar zij precies begint, moet nog worden getoetst. 161013

Een sterrenwind is materiaal dat een ster verliest; dat is iets anders dan de gasstromen op de schaal van een heel sterrenstelsel die Webb onderzoekt. Omdat zware sterren via hun wind materiaal afstaan en hun omgeving beïnvloeden, kan een andere windsterkte wel de voorspellingen voor jonge sterrenstelsels veranderen. TEMPOS meet niet rechtstreeks de sterren in Webbs verre stelsels en toont niet aan wat hun gasuitstroom veroorzaakte. 13

Waarom zuurstof niet het hele verhaal vertelt

Straling drijft sterrenwinden mede aan via metaalionen in de atmosfeer van een ster. TEMPOS ziet variatie in de absorptie door ijzer. Dat maakt het riskant om het zuurstofgehalte van het gas in een sterrenstelsel zonder meer te gebruiken als maat voor de samenstelling die voor zijn sterrenwinden relevant is. Eerder onderzoek aan zeer metaalarme stelsels liet ook zien dat metingen van ijzer in sterren en zuurstof in gas niet altijd op dezelfde verhouding tussen elementen wijzen. 346

Voor modellen betekent dit dat astronomen aannames over sterrenwinden bij lage metaalgehalten én over de onderlinge verhoudingen van elementen moeten toetsen, naast de aanvoer, uitstroom en verrijking van gas. Samen begrenzen de waarnemingen de mogelijke verklaringen voor de complexe jonge sterrenstelsels die Webb ziet. Eén bewezen verklaring leveren ze nog niet. 1410