Binnen de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal begonnen de eerste sterren van het universum te ontstaan uit wolken van waterstof en helium. Echter, opmerkingen uit de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) hebben objecten in het vroege heelal onthuld die raadselachtig helder zijn, wat conventionele modellen van stellaire evolutie en de vorming van zwarte gaten uitdaagt. Een recente studie onder leiding van onderzoekers van Colgate University en de Universiteit van Texas in Austin rapporteert de identificatie van vier extreem verre objecten waarvan de eigenschappen consistent zijn met een theoretisch nieuw type ster. Het onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappensuggereert dat dit mogelijk de eerste waargenomen ‘donkere sterren’ zijn: gigantische stellaire objecten die niet worden aangedreven door kernfusie, maar door de vernietiging van donkere materie.
Een nieuwe theorie van stellaire evolutie
De theorie van donkere sterren, oorspronkelijk ontwikkeld door Katherine Freese en medewerkers in een artikel uit 2008, biedt een mogelijke verklaring voor deze ongewone kosmische objecten. Volgens de theorie is donkere sterren zijn enorme, “gezwollen” wolken die voornamelijk bestaan uit waterstof en helium. In tegenstelling tot normale sterren, die tegen instorting door de zwaartekracht worden beschermd door de uitwendige druk van kernfusie in hun kernen, worden donkere sterren aangedreven door een ander mechanisme. Ze worden verwarmd door de vernietiging van donkere materiedeeltjes erin. Er wordt algemeen aangenomen dat donkere materie uit een nieuw type deeltje bestaat, waarbij Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) een leidende kandidaat zijn. Wanneer deze deeltjes botsen, vernietigen ze elkaar, waardoor een kleine maar voldoende hoeveelheid warmte in de instortende gaswolk terechtkomt. Dit proces voorkomt dat de wolk dicht genoeg wordt om kernfusie te initiëren, maar zorgt ervoor dat de wolk kan uitgroeien tot een extreem helder en supermassief object. De omstandigheden voor de vorming van donkere sterren zouden ideaal zijn geweest in de dichte halo’s van donkere materie in het vroege heelal.
Analyse van kandidaat-objecten van de James Webb Space Telescope
Met behulp van gegevens van JWST’s Geavanceerde diepe extragalactische enquête (JADES)identificeerde het onderzoeksteam vier kandidaat-objecten op extreme afstanden. De kandidaten zijn genoemd JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0En JADES-GS-z11-0. Het team analyseerde zowel de morfologie als de spectra van deze objecten met behulp van de NIRCam- en NIRSpec-instrumenten van de telescoop. Uit de analyse bleek dat elk van de vier objecten consistent is met de superzware donkere ster-interpretatie. Morfologisch, JADES-GS-z14-1 is nog niet opgelost, wat betekent dat het lijkt alsof het een puntbron is, wat je zou verwachten van een enkele, zeer verre ster. De andere drie objecten zijn uiterst compact. Het meest overtuigende bewijsstuk komt uit het spectrum van JADES-GS-z14-0die tekenen vertoont van een mogelijke ‘smoking gun’-signatuur voor een donkere ster. Onderzoekers vonden een dip in het spectrum die consistent is met een helium-ion-absorptiekenmerk 1640 A. Er wordt voorspeld dat dit specifieke kenmerk voorkomt in de atmosfeer van donkere sterren als gevolg van de grote hoeveelheden enkelvoudig geïoniseerd helium. De onderzoekers merken echter op dat de signaal-ruisverhouding van deze functie relatief laag is, ongeveer Serienummer ~2wat betekent dat de bevinding nog steeds voorlopig is. Gegevens van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) onthulden ook de aanwezigheid van zuurstof voor hetzelfde object, wat erop wijst dat het mogelijk geen geïsoleerde oerster is, maar ingebed in een metaalrijke omgeving, mogelijk als resultaat van een fusie. De identificatie van superzware donkere sterren zou kunnen helpen bij het oplossen van twee grote puzzels in de astronomie: waarom JWST zulke heldere sterrenstelsels vindt in het vroege heelal, en hoe de superzware zwarte gaten die verre quasars aandrijven zo snel zijn ontstaan.
