Webb-telescoop ontdekt onverwachte stofproductie in primitief dwergsterrenstelsel

Veerkracht zit van meet af aan ingebakken in de elementen waaruit wij zijn gemaakt. Deze poëtische woorden van NASA vatten samen wat mogelijk een van de meest verrassende ontdekkingen is die de James Webb Space Telescope tot nu toe heeft gedaan. In het kleine dwergsterrenstelsel Sextans A, gelegen op slechts 4 miljoen lichtjaren van de Melkweg, hebben astronomen iets ontdekt wat volgens alle theorieën eigenlijk niet mogelijk zou moeten zijn: complexe stofsoorten die normaal alleen voorkomen in chemisch rijke omgevingen.

De ontdekking, gepubliceerd in januari 2025, toont aan dat sterren al in de vroegste fasen van het universum creatieve oplossingen vonden om de bouwstenen voor rotsachtige planeten te produceren. Dit herschrijft fundamenteel ons begrip van hoe het jonge universum evolueerde en wanneer de voorwaarden voor leven voor het eerst mogelijk werden.

Een blik in het primitieve verleden

Sextans A is wat astronomen een dwergsterrenstelsel noemen – een kleine, onregelmatige verzameling sterren die veel minder massa heeft dan gewone sterrenstelsels. Met een doorsnede van slechts 5.000 lichtjaren (de Melkweg meet ongeveer 100.000 lichtjaren) en een massa die twintig keer kleiner is dan die van ons eigen sterrenstelsel, lijkt Sextans A op het eerste gezicht niet bijzonder interessant.

Maar het is juist deze kleinheid die Sextans A zo waardevol maakt voor de astronomie. Door zijn zwakke zwaartekracht kan het sterrenstelsel de zware elementen die door stervende sterren en supernova’s worden geproduceerd niet vasthouden. Deze ontsnappen gewoon de ruimte in. Hierdoor heeft Sextans A een metalliciteit van slechts 1 tot 7 procent van die van de zon – waarbij astronomen met “metalen” alle elementen zwaarder dan waterstof en helium bedoelen.

Dit maakt Sextans A tot een soort tijdcapsule. Het geeft ons een uniek venster op hoe sterrenstelsels er miljarden jaren geleden uitzagen, toen het universum nog jong was en arm aan zware elementen. Wetenschappers beschouwen het als een analoog van het vroege universum.

Onverwachte stofproductie ontdekt

Met behulp van Webb’s geavanceerde infraroodcamera’s (NIRCam) en spectrometer (MIRI) onderzochten astronomen zes AGB-sterren in Sextans A. AGB staat voor “Asymptotic Giant Branch” – dit zijn oude sterren in de laatste fase van hun leven die actief materiaal de ruimte in blazen. Deze sterren spelen een cruciale rol in de chemische verrijking van sterrenstelsels door de elementen die zij in hun kern hebben geproduceerd terug te geven aan het interstellaire medium.

Wat de onderzoekers vonden was revolutionair. In het spectrum van een koolstofrijke AGB-ster met een massa van 1,2 tot 4 zonsmassa’s ontdekten ze duidelijke tekenen van siliciumcarbide (SiC) – een extreem harde verbinding die normaal alleen ontstaat in omgevingen met veel zware elementen. Een andere ster, een zuurstofrijke M-type ster van 4 tot 5 zonsmassa’s, bleek metallisch ijzerstof te produceren.

“Het feit dat we deze complexe stofsoorten aantreffen in zo’n metaalarm sterrenstelsel toont aan dat sterren veel vindingrijker zijn dan we dachten. Ze vinden manieren om planeetbouwstenen te maken zelfs wanneer ze beperkt zijn tot de meest primitieve ingrediënten.”

Hoe ontstaat kosmisch stof?

Om te begrijpen waarom deze ontdekking zo betekenisvol is, moeten we eerst kijken naar hoe kosmisch stof normaal gesproken ontstaat. In de buitenste lagen van AGB-sterren kunnen zich onder de juiste omstandigheden kleine kristallen vormen wanneer de temperatuur daalt en verschillende elementen condenseren.

Siliciumcarbide ontstaat wanneer koolstof- en siliciumatomen zich verbinden onder specifieke temperatuur- en drukvoorwaarden. Voor de vorming van SiC heb je normaal gesproken veel silicium nodig – een element dat pas in latere generaties sterren in grote hoeveelheden wordt geproduceerd. Metallisch ijzerstof vormt zich op vergelijkbare wijze, maar vereist nog meer zware elementen.

Dat deze processen plaatsvinden in Sextans A, met zijn extreem lage metalliciteit, suggereert dat AGB-sterren efficiëntere “stoffabrieken” zijn dan wetenschappers hadden gedacht. Ze kunnen blijkbaar complexe materialen produceren met veel minder grondstoffen dan theoretische modellen voorspelden.

Polycyclische moleculen als verrassing

Naast de vaste stofdeeltjes ontdekte Webb ook polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAH’s) in het interstellaire medium van Sextans A. Dit zijn grote, ringovormige koolstofmoleculen die vaak worden geassocieerd met actieve stervorming. Ze absorberen ultraviolet licht van jonge, hete sterren en zenden dit weer uit in het infrarood – precies het licht dat Webb zo goed kan detecteren.

De aanwezigheid van PAH’s in zo’n metaalarm sterrenstelsel was eveneens onverwacht. Deze moleculen spelen een belangrijke rol in de chemie van sterrenstelsels en kunnen de kiemen vormen voor complexere organische verbindingen. Hun ontdekking in Sextans A suggereert dat de chemische basis voor leven veel eerder in de kosmische geschiedenis ontstond dan gedacht.

Gevolgen voor planetvorming en astrobiologie

De implicaties van deze ontdekking reiken ver buiten de sterrenkunde. De bevindingen hebben directe gevolgen voor ons begrip van wanneer en waar rotsachtige planeten voor het eerst konden ontstaan:

• Vroegere planetvorming: Als complexe stofsoorten al in het primitieve universum beschikbaar waren, betekent dit dat rotsachtige planeten mogelijk miljarden jaren eerder konden ontstaan dan gedacht
• Bredere habitabiliteit: Meer sterrenstelsels in het vroege universum hadden mogelijk de juiste voorwaarden voor de vorming van terrestrische planeten
• Chemische diversiteit: Het vroege universum was chemisch complexer dan modellen suggereerden, wat de kansen op leven verhoogt
• Stofbudget: De totale hoeveelheid kosmisch stof in het vroege universum moet worden herzien naar boven

De ontdekking heeft ook gevolgen voor de zoektocht naar leven elders in het universum. Eén van de voorwaarden voor leven zoals wij het kennen is de aanwezigheid van rotsachtige planeten met een vaste oppervlakte. Als de bouwstenen voor dergelijke planeten al vroeg in de kosmische geschiedenis beschikbaar waren, vergroot dit de tijdsspanne waarin leven had kunnen ontstaan aanzienlijk.

Webb’s unieke mogelijkheden

Deze ontdekking was alleen mogelijk dankzij Webb’s geavanceerde infraroodtechnologie. Kosmisch stof absorbeert zichtbaar licht maar zendt warmtestraling uit in het infrarood – precies het type licht waarin Webb excelleert. De telescoop kan niet alleen de aanwezigheid van stof detecteren, maar ook de specifieke chemische samenstelling ervan bepalen door de karakteristieke “vingerafdrukken” in het spectrum te analyseren.

Bovendien ligt Sextans A op een ideale afstand voor zulke studies. Het is dichtbij genoeg om individuele sterren te kunnen onderscheiden, maar ver genoeg om niet verstoord te worden door de gravitationele invloed van de Melkweg. Dit maakt het tot een perfect natuurlijk laboratorium voor het bestuderen van stofproductie in primitieve omgevingen.

De toekomst van kosmische archeologie

Deze ontdekking markeert het begin van een nieuwe fase in wat wetenschappers “kosmische archeologie” noemen – het reconstrueren van de geschiedenis van het universum door het bestuderen van primitieve sterrenstelsels. Webb zal de komende jaren meer van dergelijke dwergstelsels onderzoeken om te bepalen hoe algemeen deze vroege stofproductie was.

De onderzoekers plannen ook vervolgwaarnemingen van Sextans A met hogere spectroscopische resolutie om de exacte processen achter de stofvorming beter te begrijpen. Daarnaast willen ze soortgelijke studies uitvoeren in andere metaalarme sterrenstelsels om te zien of Sextans A uniek is of representatief voor een bredere klasse van objecten.

De ontdekking dat sterren al in de vroegste fasen van het universum complexe stofsoorten konden produceren, toont ons dat de veerkracht van de natuur veel dieper geworteld is dan we ooit hadden vermoed. Het universum vond al vanaf het begin creatieve wegen om de bouwstenen voor rotsachtige werelden en uiteindelijk leven zelf te smeden – een boodschap van hoop die ons herinnert aan de fundamentele vindingrijkheid van de kosmos zelf.