Bij de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop op Eerste Kerstdag 2021 hoopten astronomen dat deze nieuwe apparatuur de vroegste sterrenstelsels van ons universum zou onthullen. Maar te midden van die eerste gloeiende sterrenstelsels ontdekten Ivo Labbé van de Swinburne University of Technology in Australië en zijn collega's iets totaal onverwachts: dertien heldere rode vlekken.
Opvallend grote én oude sterrenstelsels?
Aan de hand van de helderheid en kleur konden de wetenschappers de massa en de afstand van de objecten inschatten. De uitkomsten waren verrassend: zes van deze rode vlekken bleken bijna net zo massief te zijn als de Melkweg, maar bestonden al in de eerste zeshonderd tot zevenhonderd miljoen jaar van het heelal.
Dat zulke massieve sterrenstelsels al zo vroeg zouden bestaan, past niet binnen de bestaande theorieën van astronomen over het ontstaan en de evolutie van sterrenstelsels.
‘Het is een beetje raadselachtig,’ zegt astronoom Bingjie Wang van Princeton University (VS), die samen met Labbé deel uitmaakte van het onderzoeksteam. ‘Het verhaal klopte niet.’
Inmiddels hebben wetenschappers duizend van deze kleine rode stipjes gevonden, waaronder een aantal in het moderne heelal. Hoe meer astronomen erover te weten komen, hoe meer deze kleine rode stipjes iets fundamenteels lijken te onthullen over hoe het heelal is geëvolueerd en hoe objecten daarin zijn gegroeid.
Waarom lijken deze stippen niet op normale sterrenstelsels?
Labbé, Wang en hun collega's ontdekten de kleine rode stippen in beelden van het heelal die op 21 juni 2022 werden vastgelegd door de James Webb-telescoop. Tegen de tijd dat het team in februari 2023 hun resultaten publiceerde in het tijdschrift Nature, hadden andere teams van astronomen meer van deze rode vlekken ontdekt en ze in detail vastgelegd.
‘Die verschillende publicaties leidden tot het besef dat deze verschijnselen vaker voorkomen,’ zegt astronoom Dale Kocevski van Colby College (VS), die deze rode vlekken sinds 2022 observeert en probeert te begrijpen.
Om te achterhalen wat die kleine rode stipjes zouden kunnen zijn, wendden de wetenschappers zich tot spectroscopie. Dit is een techniek die het opgevangen licht analyseert op basis van golflengte, oftewel kleur. Hierdoor kunnen astronomen de intensiteit bij elke golflengte meten. Aan de hand van de kleur kunnen wetenschappers achterhalen uit welke chemische elementen het oplichtende materiaal bestaat.
Dat licht legt ook enorme afstanden af, die steeds groter worden omdat het heelal uitdijt. Die uitzetting verschuift kleuren naar het rode uiteinde van het spectrum. Maar omdat astronomen de patronen van elk chemisch element kennen, kunnen ze die patronen nog steeds vinden, zelfs als ze roder zijn.
Door die specifieke kleuren te volgen en te meten hoeveel ze naar rood zijn verschoven, kunnen astronomen de afstand tot het object bepalen. Wetenschappers kunnen die verschoven lijnen ook gebruiken om te begrijpen hoe het gas bij de lichtbron beweegt. Dat bleek cruciale informatie te zijn voor het begrijpen van de kleine rode stipjes.
Supermassieve zwarte gaten
Waterstof is het meest voorkomende element in het universum. Dit element kan herkend worden aan de hand van een smalle markering. Maar in plaats daarvan produceerde het licht van de kleine rode stipjes een wazig beeld. Volgens Kocevski is die vervaging het gevolg van ongelooflijk snelle bewegingen, duizenden kilometers per seconde, van en naar de waarnemer toe. Deze wazige lijnen duiden op ‘iets heel massiefs, met gas dat eromheen draait,’ zoals een supermassief zwart gat, omgeven door ronddraaiende materie.
Hierdoor veranderde de belangrijkste hypothese van wetenschappers over de mysterieuze rode stippen. Het leek waarschijnlijker dat het om massieve zwarte gaten ging dan om massieve sterrenstelsels. De rode kleur, dachten astronomen, werd veroorzaakt door een grote hoeveelheid stof die de gloed van het actieve zwarte gat rood kleurde.
Daarmee bleek het mysterie van de rode stippen echter nog niet opgelost. Naarmate wetenschappers meer data verzamelden, wees het bewijs opnieuw in een andere richting en leken de actieve zwarte gaten nog raadselachtiger te zijn.
Zwarte gaten die veel materiaal aantrekken, hebben een omringende schijf die opwarmt en fel oplicht in röntgenlicht. Maar slechts één van de rode stippen is zichtbaar in röntgenlicht. Actieve zwarte gaten flikkeren ook in helderheid. ‘Kleine rode stippen veranderen in principe niet,’ zegt astronoom Jorryt Matthee van het Institute of Science and Technology Austria. Het werd duidelijk dat dit geen normale zwarte gaten waren.
Een zwartgatster
Toen onderzoekers een breder spectrum aan kleuren in de rode stippen bekeken in plaats van de fijne details van een klein deel van de data, zagen ze ‘bijzondere vormen’ in het lichtspectrum, zegt astronoom Anna de Graaff van het Max Planck Institute for Astronomy in Duitsland. Deze bijzondere vorm is het gevolg van een daling in lichtintensiteit gevolgd door een plotselinge stijging.
Astronomen zien deze spectrale vorm in gebieden met zeer dicht gas, zoals de gasatmosfeer van een specifiek type hete ster. Met dit nieuwe bewijs hebben onderzoekers hun hypothese opnieuw aangepast. Ze denken nu dat de kleine rode stipjes een energiebron hebben, waarschijnlijk een massief actief zwart gat of misschien een ster met een massa van tienduizend keer die van onze zon, die gehuld is in een zeer dichte gasatmosfeer.
‘Dat is een behoorlijk bizarre conclusie, maar het is echt wat de data ons vertellen,’ zegt De Graaff. Het idee van een zwart gat in het centrum van een dichte gaswolk, vergelijkbaar met de atmosfeer van een ster, die ook actief materie aantrekt, wordt wel een zwartgatster genoemd.
Hoe kleine rode stipjes van elkaar verschillen
Dit is momenteel een gangbare theorie, maar nu er zo'n duizend kleine rode stipjes zijn ontdekt, merken astronomen dat ze er niet allemaal hetzelfde uitzien. ‘We benoemen ze alsof ze tot één enkele klasse objecten behoren,’ zegt Xiaohui Fan, een observationeel kosmoloog aan de University of Arizona (VS), ‘maar er is geen reden om aan te nemen dat dat zo is.’
Ook tussen normale zwarte gaten zitten er verschillen, waardoor astronomen inmiddels verschillende soorten hebben geclassificeerd. Volgens Kocevski is het mogelijk dat de kleine rode stipjes voorlopers van zwarte gaten zijn, die ontstaan zijn voordat zo'n zwart gat detecteerbare röntgenstraling gaat produceren.
Hij wil aantonen dat de kleine rode stipjes in feite dezelfde zwarte gaten kunnen zijn die we vandaag de dag zien en dat astronomen een deel van de huidige zwarte gaten waarnemen in een eerder stadium van de evolutie van het universum. Wat het ook is, zegt Matthee: de objecten zijn niet verdwenen, ze zijn gewoon geëvolueerd tot iets anders. ‘Het is alsof kleine dorpjes zijn opgeslokt door een stad.’
Het mysterie is nog niet opgelost
Vier jaar na de ontdekking hebben astronomen meer dan zevenhonderd artikelen geschreven over kleine rode stippen en de hypotheses zijn in de loop der jaren veranderd naarmate er meer gegevens binnenkwamen. Toch is de oplossing nog steeds niet gevonden.
De James Webb-telescoop werd gebouwd om de eerste sterrenstelsels te vinden en te achterhalen hoe de vroegste kosmische structuren zijn ontstaan. Dat was te verwachten, maar ‘stiekem hoop je een bron te vinden die je nog nooit eerder hebt gezien,’ zegt De Graaff. ‘Ik denk dat de kleine rode stipjes dat echt mogelijk maken.’
Meer ontdekken? Krijg onbeperkt toegang tot National Geographic Premium en steun onze missie. Word vandaag nog lid!
Willeke van Doorn studeerde journalistiek, reisde een tijdje de wereld rond en kwam uiteindelijk via de Verenigde Staten, Australië en Nieuw-Zeeland bij de redacties van Quest en National Geographic. Ze is nieuwsgierig naar de wereld, gaat het liefst elke maand even op reis en neemt dan ook altijd haar hardloopschoenen mee.
