Eerste zonsopgang aller tijden gezien
Radioastronomen pikten signalen op van waterstofgas dat verstoord werd door het ontstaan van de eerste sterren. En die gaven niet de boodschap die we verwachtten.
Het begon allemaal 13,8 miljard jaar geleden, toen het heelal ontstond in een ‘oerknal’, de Big Bang. Uit wat we weten over de natuurwetten en over het gedrag van elementaire deeltjes, kunnen we berekenen hoe de energie van die knal samenklonterde tot materie, vervolgens tot de eerste atomen en tenslotte tot de eerste sterren, zo’n 0,18 miljard jaar na de oerknal.
In theorie moet een beetje licht van die eerste sterren sindsdien onderweg zijn geweest zonder ooit iets anders te ontmoeten, om vandaag onze telescopen te bereiken. Maar in de praktijk mogen we al blij zijn als zelfs onze beste telescopen licht kunnen vangen van hele melkwegen tegelijk, van vele honderden miljoenen jaren na de oerknal.
‘Nobelwaardig’
Het nieuws van die eerste ster, in de jongste Nature, kreeg dan ook wel wat weerklank onder astronomen. Sommigen spreken al van twee Nobelprijzen, eentje voor de ontdekking van de ‘eerste zonsopgang’, en eentje voor de implicaties die dat heeft voor ons begrip van de nog altijd mysterieuze ‘donkere materie’. Die materie lijkt zo’n 85 procent van de materie in het heelal uit te maken, maar onttrekt zich voorlopig aan alle waarneming.
Dat het om een radiosignaal gaat, betekent meteen dat we het licht van die eerste ster niet hebben ‘gezien’, maar dat we het indirecte effect ervan hebben ‘gehoord’. Hoe dan ook, het blijft de eerste waarneming van de eerste ster. Het ultraviolette licht ervan prikkelde het waterstof in de buurt (het vroege heelal was gevuld met vooral waterstof ). Het gas begon radiostraling op te slorpen, van welbepaalde golflengtes (toen golflengtes rond 21 cm, intussen door de uitzetting van het heelal opgerekt tot verschillende meters). Die radiostraling was zelf ontstaan bij de oerknal. We kennen ze als de ‘kosmische achtergrondstraling’.
Uit het nu opgevangen radiosignaal – of juister, uit de dip in de kosmische achtergrondstraling rond 78 megahertz – blijkt dat het waterstofgas in het jonge heelal een temperatuur had van 270 graden, drie gra den boven het absolute nulpunt. Dat is een stuk kouder dan de theoretici tot nu voorspelden. Waaruit Rennan Barkana (Universiteit Tel Aviv) in een ander artikel in hetzelfde nummer van Nature afleidt dat dit misschien wijst op een nieuw type interactie tussen dat waterstof en de donkere materie.
Wat ons beeld van die donkere materie weer wat minder flou maakt. Die moet dan bijvoorbeeld nóg kou
Het kostte de speurders twaalf jaar om de antenne op punt te stellen
der zijn geweest dan het waterstof. En de deeltjes van de donkere materie kunnen dan niet zwaarder zijn dan een paar waterstofkernen (protonen). Het zou ook de eerste keer zijn dat donkere en gewone materie op een andere manier met elkaar interageren dan via de zwaartekracht.
Kolibrie in een orkaan
Het radiosignaal van de eerste zonsopgang opvangen was al niet eenvoudig, omdat bijvoorbeeld onze eigen Melkweg veel sterkere radiogolven produceert, in hetzelfde golflengtegebied. Daar komt nog eens de storing door aardse FMstations bovenop (ook onze eigen Radio 1 zendt uit in dat gebied). De onderzoekers, onder leiding van Judd Bowman (Universiteit Arizona), ontwikkelden daarom speciale antennes, die ze neerpootten in Murchison, in onbewoond gebied in WestAustralië. Precies om astronomen hun werk te laten doen, zijn radiozenders van enige sterkte in dat gebied bij wet verboden. Het kostte de speurders twaalf jaar om het ontwerp telkens weer te verfijnen en de kalibratie goed te krijgen voor het toestel gevoelig, stabiel en precies genoeg was.
‘Het was zoiets als luisteren naar de vleugelslag van een kolibrie te midden van een orkaan’, zei een van de onderzoekers. Ze elimineerden dozijnen mogelijke verstoringen voor ze zeker waren dat wat ze uit de soms tienduizend keer sterkere ruis plukten, inderdaad was wat ze hoopten dat het was.
De eerste sterren waren groot, blauw en kortlevend. Toen ze uiteindelijk ontploften lieten ze supernova’s, zwarte gaten en andere extreme fenomenen achter. Die verhitten het waterstofgas in hun omgeving, en doofden zo het signaal van het ontstaan van de eerste sterren weer uit.
Bowman hoopt dat er nu snel nieuwe radiotelescopen gebouwd worden, om de eerste zonsopgang dieper te kunnen bestuderen.