Reïonisatie is de term die astronomen gebruiken voor een cruciale fase in de geschiedenis van het heelal, waarin de eerste sterren en sterrenstelsels eerst hun omgeving, en uiteindelijk zelfs de hele kosmos veranderden. Gevestigde theorieën stellen dat dit tijdperk ongeveer een miljard jaar na de oerknal afliep. Dat is echter in strijd met recente waarnemingen van de Webb-ruimtetelescoop, die erop lijken te wijzen dat de reïonisatie zich minstens 350 miljoen jaar eerder voltrok (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 17 september).
In de loop van zijn geschiedenis heeft het heelal een aantal grote veranderingen ondergaan. De eerste 380.000 jaar na de oerknal was het een hete dichte ‘soep’ van protonen en elektronen. Maar uiteindelijk koelde het genoeg af om ervoor te zorgen dat deze protonen en elektronen zich konden samenvoegen tot neutrale waterstofatomen. Op dat moment, ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal, ontstonden de eerste sterren en sterrenstelsels, en begon het reïonisatietijdperk.
De eerste sterren waren enorm groot en heet en straalden veel energie uit in de vorm van extreem ultraviolet licht. Deze straling was zo intens dat de waterstofatomen in hun omgeving weer in protonen en elektronen werden gesplitst – een proces dat ionisatie wordt genoemd. Honderden miljoenen jaren later, toen bijna alle waterstof in het heelal geïoniseerd was, kwam er een einde aan dit reïonisatietijdperk.
Omdat astronomen het reïonisatieproces niet rechtstreeks kunnen waarnemen, moeten ze modellen gebruiken om te voorspellen wanneer het ophield. Deze modellen zijn gebaseerd op indirect bewijs, waaronder metingen van de nagloed van de oerknal: de zogeheten kosmische achtergrondstraling. Een ander bewijs bestaat uit een aantal karakteristieke absorptielijnen van neutrale waterstof in de spectra van verre sterrenstelsels: het zogeheten Lyman-alfabos. Beide stellen astronomen in staat om te berekenen hoeveel waterstof tijdens de reïonisatie is getransformeerd en hoeveel energie daarvoor nodig was.
Webb trekt deze ‘kosmische boekhouding’ nu in twijfel. Met deze ruimtetelescoop kunnen astronomen dieper het heelal in kijken dan ooit te voren, en dit levert de nodige verrassingen op, zoals onverwacht grote aantallen sterrenstelsels die extreem ultraviolette straling uitzenden. Het zijn er zoveel, dat deze heldere sterrenstelsels op zichzelf al in staat zijn om het heelal te ioniseren. En dat gooit de hele boekhouding van het reïonisatietijdperk in de war.
‘Als je blindelings zou vertrouwen op de gegevens van Webb, zou je tot de conclusie komen dat de reïonisatie 550 tot 650 miljoen jaar na de oerknal is geëindigd, in plaats van de 1 miljard jaar waar we nu van uitgaan,’ zegt astronoom Julian Muñoz van de University of Texas in Austin (VS) en hoofdauteur van het artikel in MNRAS. ‘Maar als dit waar zou zijn, zouden de kosmische achtergrondstraling en het Lyman-alfabos er anders uitzien. Een en ander staat dus op gespannen voet met elkaar.’ Met andere woorden: het is onwaarschijnlijk dat de reïonisatie honderden miljoenen jaren eerder plaatsvond dan voorspeld. Dus wat is er aan de hand?
Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de gevestigde modellen belangrijke informatie over het hoofd zien. Soms komen geïoniseerde protonen en elektronen bijvoorbeeld weer bij elkaar om weer neutrale waterstofatomen te vormen – een proces dat recombinatie heet. Als dit vaker gebeurt dan de huidige modellen aannemen, zou dat kunnen betekenen dat er meer extreem ultraviolet licht nodig was om het volledige heelal te ioniseren. Maar om hier uitsluitsel over te krijgen zullen astronomen nog dieper het heelal in moeten kijken. (EE)
Astronomers find Webb data conflict with reionization models