JWST ontdekt M1149-BSG-z5: het verst verwijderde balkspiraalstelsel ooit

Stervorming gaat in hoog tempo door. M1149-BSG-z5 bevindt zich op of boven de hoofdreeks van stervormende sterrenstelsels bij zijn roodverschuiving. De stervormingssnelheid bedraagt ongeveer 144 zonsmassa's per jaar – wat betekent dat er in een razend tempo nieuwe sterren worden gevormd . Zowel de staaf als de spiraalarmen zijn actief in stervorming.

Een actieve kern. Het centrale superzware zwarte gat lijkt actief te zijn, maar is verrassend klein in verhouding tot de stellaire massa van het stelsel – een verhouding van zwart gat tot stellaire massa van ongeveer 0,001, vergeleken met de gebruikelijke 0,1–0,2% in lokale sterrenstelsels . De metalliciteit is ongeveer 50% van die van de zon .

Waarom deze ontdekking de evolutie van sterrenstelsels op zijn kop zet

Dit is niet zomaar een nieuw record. Het bestaan van een volledig gevormd balkspiraalstelsel bij z = 5,102 zet gangbare evolutiemodellen direct ter discussie .

Standaard kosmologische simulaties voorspelden dat stellaire staven – die heldere, lineaire banden van sterren en gas die door het centrum van spiraalstelsels lopen – enkele miljarden jaren nodig hebben om te ontstaan en te stabiliseren. Het idee was dat de schijf van een sterrenstelsel eerst in een relatief rustige, door rotatie ondersteunde toestand moet komen voordat zwaartekrachtinstabiliteiten een staaf kunnen vormen. Dat zou vooral gebeuren na z ≈ 1–2 (ongeveer 6–10 miljard jaar na de oerknal).

M1149-BSG-z5 doorbreekt die tijdlijn. Het toont een goed gedefinieerde bult, staaf en schijf – een structureel volwassen sterrenstelsel – amper een miljard jaar na de kosmische dageraad . Dit is de laatste in een reeks JWST-ontdekkingen (waaronder CEERS-2112 bij z ≈ 3 en COSMOS-74706 bij z ≈ 4 ) die een herschrijving van het verhaal afdwingen.

Hoe kon het zo vroeg ontstaan?

Het onderzoeksteam stelt twee primaire mechanismen voor, die waarschijnlijk samenwerken :

1. Zwaartekrachtinstabiliteit in een gasrijke, baryon-gedomineerde schijf. In het vroege universum waren sterrenstelsels veel gasrijker en turbulenter dan nu. In een dichte, koude, gasrijke schijf waar het centrale gebied wordt gedomineerd door gewone materie (baryonen) in plaats van donkere materie, kunnen snelle zwaartekrachtinstabiliteiten optreden. Deze kunnen binnen een paar honderd miljoen jaar een staaf vormen – zonder dat er een vooraf bestaande, volwassen stellaire schijf nodig is.

2. Omgevingsinvloeden. M1149-BSG-z5 werd gevonden in het veld van de cluster MACS J1149+2223 – een gebied met een hogere dan gemiddelde dichtheid aan sterrenstelsels. JWST-spectroscopie onthult een nabije buur met een vergelijkbare roodverschuiving . Getijdeninteracties of kleine samensmeltingen met zulke metgezellen kunnen de vorming van de staaf hebben getriggerd of versneld.

De auteurs concluderen dat de meest waarschijnlijke weg een combinatie is: een baryon-gedomineerde, gasrijke schijf die snel onstabiel werd, met enige hulp van milde omgevingsinteracties .

Het nieuwe record en wat komen gaat

M1149-BSG-z5 bij z = 5,102 overtreft nu de vorige recordhouders:

• CEERS-2112 bij z ≈ 3 (ongeveer 2,1 miljard jaar na de oerknal)
• COSMOS-74706 bij z ≈ 4 (ongeveer 1,5 miljard jaar na de oerknal)

Elke JWST-ontdekking heeft het tijdperk van staafvorming naar een steeds vroeger tijdstip verschoven. De trend suggereert dat goed geordende schijfstelsels – waaronder balkspiralen zoals onze Melkweg – veel vroeger in de kosmische geschiedenis algemeen kunnen zijn dan iemand had voorspeld.

De volgende stap is om het resultaat te bevestigen met aanvullende spectroscopie en om te zoeken naar nog eerdere balkspiraalstelsels. Als staven zo snel kunnen ontstaan, zal JWST ze waarschijnlijk vinden bij z > 6 – ruim binnen zijn observationele bereik.

Conclusie

M1149-BSG-z5 is het verst verwijderde balkspiraalstelsel ooit gevonden, en het bestond amper een miljard jaar na de oerknal. De snelle vorming ervan daagt ons begrip uit van hoe sterrenstelsels hun structuur opbouwen. Het wijst op gasrijke, turbulente processen die in staat zijn om volwassen ogende sterrenstelsels veel sneller in elkaar te zetten dan modellen toestonden. Het klassieke beeld dat staven een laat verschijnsel zijn, is niet langer houdbaar – en JWST is nog maar net begonnen.