14 september 2002 NRC

Eerste licht - George Beekman
ER IS STEEDS MINDER TIJD IN HET PRILLE HEELAL

De helderste objecten in het heelal zijn quasars. Sommige staan zover weg dat het heelal nauwelijks tijd heeft gehad ze te produceren.

Astronomen willen graag weten wanneer de eerste stralende objecten in het heelal zijn ontstaan: de kiemen van de huidige sterrenstelsels. Zij proberen daar achter te komen door steeds dieper in het heelal - dus steeds verder terug in de tijd - naar steeds jongere objecten te zoeken. In de afgelopen jaren is men zo steeds dichter bij het moment van het ontstaan van het heelal zelf, de Oerknal, gekomen. De allereerste structuren moeten dus wel heel snel zijn ontstaan. Of krijgen we een vervormd beeld van deze beginperiode?

De helderste objecten in het heelal zijn quasars: de extreem heldere kernen van sterrenstelsels waarvan de overige delen te zwak zijn om te kunnen zien. Zij zijn een manifestatie van de eerste activiteit van sterrenstelsels.
Astronomen denken dat de energie van deze quasars wordt opgewekt door de inval (accretie) van materie in een zwart gat in het centrum van de quasar c.q. het (onzichtbare) sterrenstelsel-in-wording. Zulke zwarte gaten hebben een massa tot een paar miljoen maal die van de zon.

Uit waarnemingen is gebleken dat de quasaractiviteit in het heelal ongeveer 12 miljard jaar geleden het grootst was. Maar ook daarvoor waren er al quasars. In het afgelopen jaar zijn enkele recordhouders op afstanden rond 13,2 miljard lichtjaar ontdekt. Dit betekent dat er 800 miljoen jaar na het ontstaan van het heelal (hier even gesteld op 14 miljard jaar geleden) al zwarte gaten met een massa van een paar miljoen maal die van de zon waren. Konden zie wel in zo'n korte tijd ontstaan?
 

Volgens de huidige kosmologische theorieën zijn zulke reuzengaten ontstaan door de aangroei en versmelting van kleinere gaten met een massa in de orde van 10 tot 1000 maal die van de zon. Deze meer bescheiden objecten zouden op hun beurt het eindproduct zijn geweest van de allereerste reuzensterren die in het prille heelal ontstonden en na een kort leven explodeerden. En die reuzensterren moeten weer zijn voortgekomen uit de eerste samenballingen van de koele, donkere oermaterie waaruit het prille heelal toen bestond.

Voordat er quasars ontstonden, was er dus al heel wat gebeurd. De Amerikaanse astronomen Zoltán Haiman en Abraham Loeb hebben berekend dat de superzware zwarte gaten in de verste quasars er ongeveer 700 miljoen jaar voor nodig hebben gehad om hun uiteindelijke omvang te bereiken. Dit betekent dat de `kiemen' van deze objecten moeten dateren uit de tijd dat het heelal nog maar 100 miljoen jaar oud was. Dat past nog maar net in het tijdschema van de kosmologische modellen. Een even heldere quasar die iets verder weg staat zou dat al niet meer doen.
 

De ontdekking van steeds verder weg staande quasars betekent dus steeds meer hoofdbrekens voor kosmologen die het tempo van het ontstaan van de eerste structuren in het heelal willen verklaren. Maar misschien zijn die verste quasars wel minder helder dan nu wordt berekend. Hoe verder een quasar van ons vandaan staat, des te groter is de kans dat hij op één lijn wordt gezien met een sterrenstelsel dat dichterbij staat. Het gravitatieveld van dit stelsel fungeert dan als gravitatielens, die het licht van de quasar afbuigt en versterkt.

Doordat het heelal vroeger kleiner was dan nu en de ruimte-dichtheid van sterrenstelsels dus groter, neemt de kans op deze vergrootglaswerking bij het toenemen van de afstand sterk toe.
Loeb en zijn collega Stuart Wyithe laten binnenkort in de Astrophysical Journal zien dat deze kans bij de nu verste quasars ongeveer 30 procent bedraagt, tegen nog geen 0,5 procent bij de minder verre quasars. Deze verre objecten zouden daardoor 10 tot 100 maal zo helder kunnen lijken dan zij in werkelijkheid zijn. Julia Comerford en haar collega's doen er in een ander artikel nog een schepje bovenop. Volgens hen kan de kans op lenswerking bij de verste quasars tot 100 procent oplopen.

meer speling
Dit laatste zou betekenen dat het licht van alle verre quasars die in het afgelopen jaar zijn ontdekt als gevolg van lenswerking kan zijn versterkt. Deze quasars zouden in werkelijkheid veel minder helder kunnen zijn, waardoor hun centrale zwarte gat minder energie hoeft te produceren en dus minder massa hoeft te hebben. Voor de groei van deze superzware zwarte gaten en het ontstaan van hun kiemen zou wat meer tijd beschikbaar zijn geweest en het tijdschema van het ontstaan van de eerste structuren in het heelal zou wat meer speling krijgen.

Loeb, Wyithe en Comerford hebben echter alleen de kans op lenswerking bij quasars op verschillende afstanden berekend en kunnen niet bewijzen dat die bij de verste quasars die men nu heeft waargenomen ook daadwerkelijk plaatsvindt en zo ja, in welke mate. Dat bewijs kan alleen worden geleverd als het dichterbijstaande sterrenstelsel dat de lenswerking veroorzaakt wordt gevonden, of als vlak naast de quasars een tweede beeldje wordt gedetecteerd dat op lenswerking wijst.

De Hubble Space Telescope zal waarschijnlijk volgend jaar naar zulke bewijsstukken gaan zoeken. Hierop vooruitlopend hebben de Amerikanen Zoltán Haiman en Renyue Cen echter al vastgesteld dat de helderheid van een van deze quasars niet veel door lenswerking kan zijn versterkt (Astrophysical Journal, 20 okt). Zij hebben dit afgeleid uit de mate waarin dit object zijn omgeving ioniseert: een effect dat uit het spectrum kan worden afgeleid en niet door kosmische lenswerking wordt beďnvloed. Dit betekent dat in ieder deze quasar de hoop op meer tijd in het prille heelal al heeft doen vervliegen.