REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

In de vroegste momenten van het universum was de kosmos een donkere, vormloze plek, gevuld met slechts waterstof- en heliumgas. Gedurende honderden miljoenen jaren begon de zwaartekracht dit gas samen te trekken, waardoor de eerste sterren ontbrandden en de eerste sterrenstelsels werden gesmeed. Een lange tijd geloofden astronomen dat deze vroege sterrenstelsels chaotische, rommelige plaatsen waren. De heersende theorie suggereerde dat sterrenstelsels in de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis te jong waren om zich in ordelijke vormen te hebben gevestigd. Men dacht dat ze turbulente, instabiele verzamelingen van gas en sterren waren, die voortdurend botsten en kolkten, zonder de gladde, draaiende schijven die kenmerkend zijn voor volwassen sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel vandaag de dag. Dit beeld hield in dat het miljarden jaren duurde voordat sterrenstelsels afkoelden, hun gas organiseerden en de elegante, roterende structuren ontwikkelden die we zien in het nabije universum.

De komst van de James Webb Space Telescope en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array is echter begonnen aan het herschrijven van deze tijdlijn. Deze krachtige instrumenten stellen wetenschappers in staat om terug te kijken naar het tijdperk van reïonisatie, een tijd waarin het universum minder dan een miljard jaar oud was, en sterrenstelsels te zien die verrassend volwassen lijken. De vraag is nu niet alleen of deze oude sterrenstelsels bestaan, maar hoe ze zo snel zulke complexe structuren konden opbouwen. Bezitten ze werkelijk de rustige, draaiende schijven van latere sterrenstelsels, of is hun schijnbare orde een illusie die wordt gecreëerd door de manier waarop we ze observeren? Om dit te beantwoorden, moeten onderzoekers verder kijken dan het zichtbare licht van sterren en het onzichtbare stof en gas onderzoeken dat de ware aard van deze kosmische reuzen vaak verbergt.

Een team van astronomen heeft nu de aandacht gericht op een specifiek sterrenstelsel genaamd REBELS-25, gelegen op een roodverschuiving van 7,31. Deze afstand betekent dat het licht dat we van het zien, het sterrenstelsel verliet toen het universum slechts ongeveer 700 miljoen jaar oud was. Eerdere studies hadden er al op gewezen dat REBELS-25 een massief, stervormend systeem was met een roterende structuur, maar die observaties waren beperkt. Om een compleet beeld te krijgen, combineerden de onderzoekers nieuwe, hoogresolutiebeelden van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array met gegevens van de James Webb Space Telescope. Ze bekeken het sterrenstelsel over een breed spectrum van licht, van de ultraviolette gloed van jonge sterren tot de verre-infrarode hitte die uit stof en gas straalt. Door deze verschillende visies aan elkaar te naaien, creëerden ze een gedetailleerde, driedimensionale kaart van de vorm van het sterrenstelsel, de interne condities en de beweging van het gas.

De resultaten onthulden een opvallend contrast tussen hoe het sterrenstelsel eruitziet in verschillende soorten licht. Wanneer het wordt bekeken in ultraviolet en optisch licht, wat de hete, jonge sterren traceert, lijkt REBELS-25 klonterig en onregelmatig. De helderste plekken zijn verspreid over het sterrenstelsel, waarbij sommige heldere klonten zich ongeveer tweeduizend lichtjaar van het centrum bevinden. Het ziet er chaotisch uit, veel zoals de turbulente systemen die astronomen op dit vroege tijdstip verwachtten te vinden. Echter, wanneer de onderzoekers overschakelden naar verre-infrarood licht, dat het koude stof en gas traceert, veranderde het beeld volledig. In dit aanzicht is het sterrenstelsel geen verspreide bende, maar een gladde, roterende schijf. Het stof en gas zijn geconcentreerd in een centrale regio en vormen een bijna perfecte exponentiële schijf die veel ordelijker is dan de verspreide sterren doen vermoeden.

Dit dramatische verschil in uiterlijk wordt veroorzaakt door stof. De studie vond dat de centrale regio's van het sterrenstelsel zwaar gehuld zijn in stof, wat het ultraviolette en optische licht van de sterren die erin verborgen liggen, blokkeert. De onderzoekers berekenden dat stofobscuratie tussen de 55 en 98 procent van de totale stervorming van het sterrenstelsel verbergt. In het centrum, waar het stof het dikst is, is bijna alle stervorming onzichtbaar voor de optische telescopen. De heldere klonten die in het ultraviolet worden gezien, zijn waarschijnlijk slechts de toppen van de ijsberg, die de minder geobscureerde buitenranden van het sterrenstelsel vertegenwoordigen waar sterren zichtbaar zijn. Het ware hart van het sterrenstelsel, waar de meest intense activiteit plaatsvindt, is verborgen achter een dik sluier van stof, zichtbaar alleen voor de infraroodogen van de observatoria.

Ondanks de chaotische verschijning van de sterren, vertelt het gas binnen REBELS-25 een verhaal van opmerkelijke stabiliteit. De onderzoekers analyseerden de beweging van twee verschillende soorten gas: het warme, geïoniseerde gas dat in een specifieke infraroodlijn gloeit, en het koudere, neutrale gas dat een ander infraroodsignaal uitzendt. Ze vonden dat beide typen gas bewegen in hetzelfde grootschalige, roterende patroon. Het gas is niet willekeurig aan het tollen; het draait in een coherente schijf. De ratio van de geordende draaibeweging ten opten versus de willekeurige, chaotische beweging is zeer hoog, wat aangeeft dat het gas "dynamisch koud" is. Dit betekent dat het sterrenstelsel zich al heeft gevestigd in een stabiele, roterende structuur, wat indruist tegen de verwachting dat sterrenstelsels op deze leeftijd turbulent en ongeordend zouden zijn.

De studie keek ook naar de chemische samenstelling van het sterrenstelsel om te zien of de verschillende klonten afzonderlijke systemen waren die tegen elkaar aan botsten, of delen van één enkel, verenigd sterrenstelsel. Ze maten de ratio's van verschillende chemische elementen in het gas over de diverse klonten heen. De resultaten toonden aan dat de chemische condities overal in het sterrenstelsel breedweg vergelijkbaar zijn. De metaalinhoud, die aangeeft hoeveel zware elementen het sterrenstelsel heeft geproduceerd, is hoog en consistent over de verschillende regio's. Deze uniformiteit suggereert dat de heldere klonten die in het ultraviolet worden gezien, geen afzonderlijke, samensmeltende sterrenstelsels zijn met verschillende geschiedenissen. In plaats daarvan zijn het waarschijnlijk stervormingsgebieden ingebed in dezelfde enkele, chemisch verrijkte schijf. Het sterrenstelsel lijkt een verenigd systeem dat al een aanzienlijke hoeveelheid van zijn gas in zwaardere elementen heeft verwerkt, een niveau van chemische volwassenheid bereikt die vergelijkbaar is met sterrenstelsels die veel later in het universum worden gevonden.

Hoewel het sterrenstelsel grotendeels een gladde, roterende schijf is, tonen de gegevens ook tekenen van complexiteit. Er zijn aanwijzingen voor niet-circulaire bewegingen en kleinschalige structuren die suggereren dat het sterrenstelsel niet perfect glad is. Er kan een staafachtige structuur in het centrum aanwezig zijn, en het gas vertoont tekenen van in- of uitstromingen. Deze kenmerken geven aan dat hoewel het sterrenstelsel een stabiele toestand heeft bereikt, het nog steeds actief aan het assembleren en evolueren is. Het is geen statisch object, maar een dynamisch systeem dat zichzelf blijft opbouwen, zelfs terwijl het zijn algemene orde behoudt.

De bevindingen voor REBELS-25 dagen de langgekoesterde visie uit dat het vroege universum een plek van pure chaos was. Dit sterrenstelsel, bestaand minder dan een miljard jaar na de oerknal, is massief, chemisch rijk en dynamisch koud. Het bezit een roterende schijfstructuur die verrassend vergelijkbaar is met sterrenstelsels die miljarden jaren later worden gevonden. De studie demonstreert dat stof een cruciale rol speelt bij het verbergen van de ware aard van deze vroege systemen. Zonder door het stof te kijken met infraroodtelescopen, zouden astronomen alleen een rommelige, klonterige verzameling sterren hebben gezien en de elegante, draaiende schijf die eronder verborgen ligt, gemist hebben.

Dit onderzoek benadrukt het belang van het bekijken van sterrenstelsels over meerdere golflengten om hun ware aard te begrijpen. Eén enkel perspectief kan misleidend zijn, waarbij de onderliggende orde wordt verborgen achter een sluier van stof of de chaotische details van stervorming wordt afgeschermd. Door de kracht van verschillende telescopen te combineren, beginnen wetenschappers te zien dat het universum zich veel sneller georganiseerd kan hebben dan voorheen gedacht. REBELS-25 staat als een testament voor deze snelle evolutie, en laat zien dat zelfs in de vroegste tijdperken van de kosmische geschiedenis sommige sterrenstelsels al hun ritme hadden gevonden, draaiend in kalmte in de duisternis.