Webb heeft mogelijk de eerste sterren gespot

De diepste spectra van James Webb heropenen de vraag naar het 'eerste licht'

Wat het team daadwerkelijk heeft gevonden

De studie richt zich op vier objecten met een zeer hoge roodverschuiving, afkomstig uit diepe JWST-surveys. Eén object in het bijzonder — gecatalogiseerd in de JWST-surveygegevens als JADES-GS-z14-0 — vertoont een voorzichtige dip in zijn spectrum op de golflengte die overeenkomt met enkelvoudig geïoniseerd helium (He II) bij een rustframe van 1640 Å. Dit absorptiekenmerk wordt in het artikel benadrukt als een potentiële "smoking gun"-aanwijzing voor een supermassieve donkere ster, omdat theoretische modellen een sterke He II-absorptie voorspellen in de uitgestrekte, relatief koele atmosferen van dergelijke objecten. De auteurs benadrukken dat de detectie zwak is (signaal-ruisverhouding van ongeveer orde twee) en voorzichtig moet worden behandeld.

Maar er is zuurstof in de buurt

Het beeld wordt gecompliceerd door vervolgwaarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), die de [O III] 88 μm-lijn op dezelfde locatie aan de hemel robuust hebben gedetecteerd en een nauwkeurige spectroscopische roodverschuiving van z ≈ 14,18 hebben gemeten. De ALMA-meting impliceert een niet-verwaarloosbare metaalverrijking — zuurstof is aanwezig op een niveau dat pleit tegen een puur metaalvrije, primordiale omgeving. Dat zou een eenzame, ongerepte donkere ster uitsluiten, tenzij de donkere ster is ingebed in, of is vermengd met, een metaalverrijkt systeem, zoals de auteurs van het artikel bespreken. De ALMA-detectie biedt ook een onafhankelijke, uiterst precieze roodverschuiving die helpt bij het verankeren van de interpretatie van de JWST-spectra.

Wat zijn donkere sterren en waarom zijn ze belangrijk?

Het idee van de donkere ster werd meer dan tien jaar geleden voorgesteld: in het vroege universum zouden instortende gaswolken die de eerste lichtgevende objecten vormden, ingebed zijn geweest in dichte klonters donkere materie. Als het donkerematerie-deeltje met zichzelf annihileert, zou de vrijgekomen energie het gas kunnen verhitten en een groot, diffuus lichtgevend object kunnen produceren dat nooit de compacte, door fusie gedomineerde staat van gewone sterren bereikt. In veel modellen kunnen deze objecten extreem massief en extreem helder worden — in sommige scenario's kan een enkele supermassieve donkere ster een heel klein sterrenstelsel overstralen. De detectie van een dergelijk object zou niet alleen de handboeken over de vorming van de eerste sterren herschrijven, maar ook een zeldzaam astrofysisch venster bieden op de deeltjesaard van donkere materie.

Hoe een donkere ster verschilt van gewone eerste sterren

Waarom de claim nog voorlopig is

Er zijn belangrijke redenen om voorzichtig te blijven. Ten eerste is het He II-absorptiekenmerk in het JWST-spectrum zwak; bij een lage signaal-ruisverhouding kunnen instrumentele effecten, achtergrondsubtractie of overlappende nevelkenmerken valse dips veroorzaken. Ten tweede kunnen veel van de kandidaten ook worden gemodelleerd als extreem compacte, intense stervormingsgebieden of als accreterende zwarte gaten, vooral wanneer er nevelemissie aanwezig is. Ten derde impliceert de ALMA-detectie van zuurstof een metaalgehalte dat moeilijk te verenigen is met een volledig ongerepte donkere ster — hoewel de auteurs scenario's schetsen waarin een donkere ster zou kunnen samengaan met nabijgelegen, met metalen verrijkt gas (bijvoorbeeld na een samensmelting). Ten slotte heeft het vakgebied verschillende dramatische vroege claims uit JWST-gegevens gezien die een diepere vervolganalyse vereisten om uitsluitsel te geven, dus de gemeenschap is bewust veeleisend wat betreft bevestiging.

Wat zou als bevestiging gelden?

Robuuste bevestiging vereist spectra met een hogere signaal-ruisverhouding die dezelfde kenmerken reproduceren, ruimtelijk opgeloste beelden die een puntvormig, enkel object kunnen onderscheiden van een compact sterrenstelsel, en metingen op meerdere golflengten (ALMA, mid-IR, zelfs toekomstige telescopen op de grond in de 30 meter-klasse) om gas, sterren en mogelijk stof in kaart te brengen. In het scenario van de donkere ster zou een duidelijke, herhaalbare He II 1640-absorptie, vergezeld van de voorspelde continuümvorm en het ontbreken van typische nevelemissie, overtuigend zijn. Omgekeerd zouden sterkere detecties van meerdere metaallijnen of opgeloste stellaire populaties pleiten voor een interpretatie als vroege sterrenstelsels.

Bredere implicaties indien waar

Als een populatie donkere sterren zou worden bevestigd, zouden de gevolgen verstrekkend zijn. Ze bieden een natuurlijke route om massieve kiemen voor zwarte gaten te produceren in vroege tijdperken, wat helpt bij het verklaren van de quasars met een miljard zonsmassa's die al zijn waargenomen bij roodverschuivingen boven de zes. Ze zouden ook de kosmologie verbinden met de deeltjesfysica door de annihilatie-eigenschappen van donkerematerie-deeltjes in te perken. Ten slotte zou het vinden van een voorheen onbekende klasse van lichtgevende objecten tijdens de kosmische dageraad de modellen voor vroege vorming van sterrenstelsels en reïonisatie herformuleren. Maar dat alles hangt af van het overbruggen van de hoge drempel voor observationeel bewijs.

Volgende stappen en de wetenschappelijke stemming

Vooralsnog heeft Webb astronomen hun beste en meest directe aanwijzingen tot nu toe gegeven voor de allereerste lichtgevende objecten. Of die aanwijzingen duiden op een conventionele dageraad van kleine, door fusie aangedreven sterren of op een exotisch tijdperk van door donkere materie aangedreven reuzen, valt nog te bezien — maar de jacht op het kosmische eerste licht is een beslissende en diep intrigerende fase ingegaan.