Openingsbeeld: Een foto genomen met de bijna-infraroodcamera van James Webb © NASA / ESA / CSA

Hoe zag het heelal eruit in de ‘kosmische dageraad’? Die poëtische term gebruiken astronomen voor de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal, toen de allereerste sterren aan het firmament rezen en ze de jonge kosmos met licht overspoelden.  

Om een beeld te krijgen van die periode hebben we een tijdmachine nodig. En … die hebben we. In veelvoud zelfs, in de vorm van telescopen. 

Licht reist supersnel, aan een miljard kilometer per uur. Maar sommige sterrenstelsels zijn zo ver weg dat hun licht er miljoenen of miljarden jaren over doet om ons te bereiken. Hoe verder ze van de aarde verwijderd zijn, hoe langer hun licht erover doet om tot hier te geraken. Wat betekent dat als we een glimp opvangen van hun fotonen, we eigenlijk terugkijken in de tijd. We zien sterrenstelsels zoals ze er in lang vervlogen tijden uitzagen.

Het licht van sterrenstelsels ten tijde van de kosmische dageraad is al meer dan 13 miljard jaar onderweg. Dat licht is er niet al te best meer aan toe. Door de lange afstand die het heeft afgelegd, is het danig verzwakt. Het onderging bovendien een hoge roodverschuiving: waar we de golflengten van dat licht ooit hadden kunnen zien met het blote oog, zit het nu op het infrarode deel van het elektromagnetisch spectrum. Willen dat zwakke infraroodlicht kunnen onderzoeken, dan moeten we er heel veel van opvangen. Daarvoor hebben we gigantische en ultragevoelige telescopen nodig. 

Enter de James Webb Space Telescope (JWST). Met zijn 6,5 meter grote hoofdspiegel en meerdere infraroodinstrumenten kan deze ruimtetelescoop sterrenstelsels zien zoals ze waren kort na de geboorte van de eerste sterren. En misschien zelfs helemaal terug tot de kosmische dageraad. 

Om de JWST tot zijn uiterste limieten te pushen, ontwikkelden astronomen een speciaal observatieprogramma: het JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, of JADES. Het programma neemt een piepklein deeltje van de hemel in het vizier en houdt dat vervolgens heel lang in de gaten. Zo verkrijgen wetenschappers zogeheten deep field-beelden van bijzonder verafgelegen hemellichamen en andere -objecten.

Kosmische mozaïek

In het eerste jaar dat de JWST door de ruimte zweefde, kregen onderzoekers al mooie resultaten te zien. Nu de JWST zijn tweede jaar ingaat, willen astronomen nog dieper in het universum turen, in de hoop een beter zicht te krijgen op de kosmische dageraad. Ze stelden hun doelwit bij naar een zorgvuldig geselecteerde subsectie van dat hemelgebied, en noemden het nieuwe project het JADES Origins Field.

Het programma leverde al ongelooflijk straffe plaatjes op. Je kunt die zelf zien en verkennen, op je computer of smartphone. Online vind je een samengestelde mozaïek van alle waarnemingen die de JWST tot nu toe deed. Op het eerste gezicht ziet het eruit als een samengelapt zwart veld met stippen en vegen. Maar als je een beetje inzoomt – en vervolgens nog wat verder inzoomt – zie je dat de helderste objecten schitterende sterrenstelsels zijn. Vele daarvan zijn herkenbaar als spiraalstelsels zoals onze Melkweg, andere (de overgrote meerderheid) hebben een veel minder reguliere vorm. 

Hier en daar op de kaart kun je sterren spotten die zich in ons eigen Melkwegstelsel bevinden. Ze springen in het oog door hun scherpe, puntige aanblik en door de zogeheten diffractiepieken. Dat zijn de drie lijnen die vanuit het hart van de ster naar buiten stralen. Ze worden veroorzaakt doordat het licht afbuigt rond de achttien hexagonale spiegels waaruit de hoofdspiegel van de JWST bestaat. Als je de sterren in de Melkweg van iets dichterbij bekijkt, zie je dat een flauwe horizontale streep ze doorkruist. Die strepen zijn veroorzaakt door licht dat afbuigt rond een steunpoot van de tweede spiegel van de JWST.  

Elders op de kaart kun je enkele verafgelegen, wazige objecten vinden met erg heldere kernen en diffractiepieken, zoals object 169604. Dat zijn wellicht actieve sterrenstelsels. In hun centrum huist een supermassief zwart gat dat gigantische hoeveelheden gas en stof opschrokt. Terwijl al dat materiaal aan ongelooflijke snelheden achter de waarnemingshorizon van het zwarte gat verdwijnt, verhit het en spuwt het straling uit.

Sommige astronomen hopen dat ze via het JADES Origins Field sterrenstelsels opsporen waarin gigantische zwarte gaten nog maar net actief zijn. Een van de grootste mysteries in de kosmologie is namelijk hoe zulke zwarte gaten in minder dan een miljard jaar tijd een massa kunnen verzamelen van een miljard keer de zon. 

Ken je plaats

Veel van de astronomische objecten in deze mozaïek kun je door hun kleur identificeren. Het is te zeggen: door hoe helder ze op diverse golflengten verschijnen. De bijna-infraroodcamera op de JWST heeft filters die op verschillende golflengten kunnen sorteren. Enkele daarvan worden voor JADES gebruikt. Je kunt switchen tussen die filters door te klikken op de bovenste knop in de rechterbovenhoek van het scherm. Via de knop daaronder kun je kijken hoe het licht verdeeld is over verschillende kleuren heen. Astronomen gebruiken die filter om vast te stellen welk object ze voor zich hebben en – in het geval van sterrenstelsels – hoe ver die zich ongeveer van ons bevinden. 

Op de kaart is een schat aan bizarre objecten te vinden. Object 196582 is duidelijk een soort sterrenstelsel dat zich waarschijnlijk op een afstand van meer dan 7 miljard lichtjaar bevindt. Maar het heeft een wazige, ovale boog aan de bovenkant. Soms kan de zwaartekracht van een massief sterrenstelsel het licht van verderafgelegen sterrenstelsels afbuigen, zodat het een vreemde vorm aanneemt. Dat is het effect van een zwaartekrachtlens. Maar zulke bogen zijn doorgaans zeer scherp gedefinieerd en dun, en dat is deze boog duidelijk niet. Wat zien we dan wel? Als sterrenstelsels op relatief kleine afstand van elkaar passeren, werkt hun zwaartekracht op elkaar in, en zo raken ze vervormd en verdraaid. Hele kettingen van sterren kunnen daarbij uit een sterrenstelsel worden getrokken. En als een van de beide stelsels veel kleiner is, kan het zelfs volledig uiteengescheurd worden. Mogelijk is dat wat we hier zien.

Er zijn ook sporen van minder extreme confrontaties. Objecten als 171522 en 171523 zijn twee sterrenstelsels van ongeveer dezelfde grootte, en ze zijn elkaar allebei aan het vervormen. Mogelijk zullen ze op den duur met elkaar versmelten, en worden ze een enkel, groter sterrenstelsel. Op deze kaart kun je veel sterrenstelsels zien clashen. Astronomen zien zulke confrontaties graag gebeuren, want ze kunnen bijdragen tot onze kennis van hoe sterrenstelsels in de jonge jaren van het heelal interageerden en groeien.

Maar het meest fenomenale aan deze mozaïek is niet één specifiek object. Het is het ontzagwekkende aantal objecten dat de JWST in het volledige JADES-gebied kan vastleggen. Astronomen zijn al aan het tellen geslagen: voorlopig komen ze aan zo’n honderdduizend sterrenstelsels. En toch vertegenwoordigt deze mozaïek slechts een klein stukje van de hemel. Als de hemel alles is wat je zo voor je kunt zien, dan is het gebied in de mozaïek ongeveer zo groot als één fijn grindsteentje op de top van je vinger, als je je arm uitgestrekt houdt. 
 

Als je het aantal sterrenstelsels in de mozaïek extrapoleert naar de volledige hemel, dan bevat die honderden miljarden sterrenstelsels. Dat ligt in de lijn van eerdere inschattingen. Al zal het JADES Origins Field ongetwijfeld nog meer sterrenstelsels blootleggen. 

Die kaart onderstreept nog maar eens hoe ontzagwekkend groot het heelal is, en hoeveel sterrenstelsels het telt. Onze Melkweg is er daar slechts een van. Als we er met de JWST naar zouden kijken van 10 miljard lichtjaar afstand, dan zou onze thuis net zo klein zijn als de stipjes en vegen op deze mozaïek. 

Dat noopt tot nederigheid. Al kan het misschien ook vreugde en zelfs een zekere trots oproepen: we weten dat we klein zijn. Dankzij de wetenschap, die zich voedt met onze nieuwsgierigheid en onze steeds krachtiger technologie, kennen we onze werkelijke plaats in het heelal. En kunnen we zelfs de meest verafgelegen dieptes van dat heelal met onze vingertoppen oproepen. 

Neem dit niet van mij aan. Ga vooral zelf aan de slag met de schatkist die JADES is, en die tot aan de rand is gevuld met sterrenstelsels uit het begin der tijden.