Zijn Populatie III-sterren eindelijk ontdekt?

door John G. Hartnett
vertaald door Nathan van Ree (logos.nl)

gepubliceerd: 3 maart 2016 (GMT+10)

Wat zijn Populatie III-sterren? In het kort gaat het vermeende verhaal als volgt:

De enorm hete oerknalvuurbal produceerde alleen waterstof (~75%), helium (~25%) en kleine spoortjes lithium. Derhalve konden de als eerste te vormen sterren (die de naam Populatie III-sterren kregen) alleen vanuit deze gassen ontstaan. Astronomen labelen alle elementen die zwaarder zijn dan helium 'metalen'. Zodoende noemen ze dit type sterren extreem metaalarm. Maar elke volgende generatie sterren, gevormd uit de producten van supernovaexplosies van de voorgaande generatie sterren, waarbij alle zwaardere elementen werden geproduceerd, werd steeds rijker aan metaal. De nucleaire fusie binnen sterren gedurende hun leven produceerde de zwaardere elementen, de 'metalen' als koolstof, zuurstof en stikstof, welke de ruimte in werden gelaten toen de sterren explodeerden. Gedurende de feitelijke explosie, zo gaat de theorie, werden de meest zware elementen geproduceerd.

Tot op heden zijn deze originele sterren nooit geobserveerd en derhalve waren ze slechts hypothetisch. Maar hun bestaan is een oerknalvoorspelling.

Populatie I, II en III-sterren

Astronomen classificeren sterren in drie typen: Populatie I, II en III. Populatie II is de generatie sterren die, zo beweert men, is ontstaan vanuit de Populatie III-sterren, en heeft slechts een lage metaalinhoud. Populatie I-sterren zijn naar verluidt als laatste ontstaan en zijn derhalve de jongste en heetste sterren, en die met een hoge metaalinhoud. Populatie I en II-sterren zijn historisch het eerst geïdentificeerd in ons sterrenstelsel. Populatie I-sterren worden overwegend gevonden in de spiraalvormige schijf van ons sterrenstelsel en Populatie II-sterren worden gevonden boven en onder deze schijf. Ze hebben nog andere kenmerkende eigenschappen, maar hun metaalinhoud is wat hen het meest onderscheidt.

Deze vroege generatie sterren formeerde zich ook als eerste in kleine sterrenstelsels die later door samensmelting met andere sterrenstelsels groter werden, althans zo gaat het verhaal.¹ Groei in sterrenstelselformaat en in 'metaalinhoud' wordt 'sterrenstelselevolutie' genoemd.

"De eerste generatie kleine sterrenstelsels was waarschijnlijk goed en wel op zijn plaats 400 miljoen jaar na de oerknal. Volgend op deze beginfase van sterrenstelselformatie maakten sterrenstelsels een fase door van samensmelting en vergroeiing met andere sterrenstelsels, waardoor ze een massa opbouwden van enige duizenden tot miljarden zonnemassa's. Dit opbouwproces ging door tot het heelal zo'n twee miljard jaar oud was. Toen, door een of ander terugkoppelingsproces — naar overheersende speculatie tegenwoordig beschouwd als AGN-terugkoppeling [AGN staat voor active galactic nucleus, een zeer klein centrumgebied in actieve sterrenstelsels dat zeer veel energie afgeeft, vert.] — wordt verondersteld dat dit opbouwproces is gestopt en dat sterrenstelsels een geheel andere vorm van evolutie ondergingen. Dit latere evolutieproces gaat door tot de dag van vandaag."

Dit is het evolutieverhaal van de oerknal, maar het heeft in essentie de Populatie III-sterren nodig, anders is er geen verhaal. Nu wordt beweerd dat Populatie III-sterren gevonden zijn in een zeer veraf gelegen sterrenstelsel.

Wat is er gevonden?

Een onlineartikel van National Geographic rapporteerde:²

"Kijkend naar de rand van het zichtbare universum met enkele van de krachtigste telescopen van de planeet, hebben astronomen licht waargenomen van de allereerste generatie sterren die ontstond na de oerknal."

In een sterrenstelsel met de naam CR7 beweren ze de aanwezigheid van Populatie III-sterren te hebben waargenomen, maar let op het volgende. De afstand is bepaald op basis van de roodverschuiving van het sterrenstelsel, wat de reden is dat de verslaggever schrijft dat het aan 'de rand van het zichtbare universum' is. Maar als de interpretatie van de roodverschuiving voor deze sterrenstelsels met een zeer hoge roodverschuiving (een niet te verifiëren aanname) niet correct is, dan is het sterrenstelsel niet zo ver weg, noch zo groot, noch zo helder als beweerd wordt.

"Het bewijs is overtuigend," zegt Harvard-astrofysicus Avi Loeb, een van de theoretici die hebben voorspeld hoe de eerste generatie sterren eruit zou moeten zien. "Het levert het sterkste empirische bewijs tot op heden voor de sterren die gevormd zijn uit zuivere waterstof en helium, overblijfselen van de big bang."³

Uiteraard wil de theoreticus die dit voorspeld heeft dat het waar is. Maar er is geen enkele ster waargenomen. In plaats daarvan heeft men het collectieve licht van sterren in het CR7-sterrenstelsel vastgelegd. Vervolgens heeft men, gebaseerd op roodverschuiving en hun veronderstelde kosmologie, gesteld dat de sterren in dit sterrenstelsel 800.000 jaar na de big bang zijn ontstaan.⁴

"CR7 bevat ook sterrenclusters die niet van de eerste generatie zijn. Dit komt overeen met de theoretische voorspellingen, geeft Loeb aan. Moderne sterrenstelsels, waaronder de Melkweg, worden verondersteld zichzelf samengesteld te hebben vanuit veel kleinere proto-sterrenstelsels die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal begonnen te ontstaan. CR7 is waarschijnlijk een momentopname van de beginfasen van dat proces, waarin sommige delen recentelijk hun allereerste sterren hebben gevormd terwijl andere doorgingen met de volgende generatie."⁵ (nadruk toegevoegd)

Het wordt toegegeven dat het sterrenstelsel niet alleen Populatie III-sterren bevat. Derhalve bevat het Populatie II en/of Populatie I-sterren, die een veel hogere metaalwaarde hebben. Dit is waarschijnlijk een gevolg van het feit dat, wanneer er een spectrograaf is gebruikt om metalen te detecteren, deze licht zal hebben waargenomen van het gehele sterrenstelsel of een groot deel ervan. Maar het lijkt erop dat men de argumentatie grotendeels baseert op het excessieve licht, wat betekent dat het sterrenstelsel erg helder is in verhouding tot zijn roodverschuiving. Erg helder betekent grote, hete sterren, en grote sterren betekent dat het Populatie III-sterren zouden kunnen zijn.

Dit is praatjes verkopen. Wat er ook geobserveerd is, het kan in het verhaal worden gepast. Het verhaal (zoals hierboven weergegeven) staat samensmelting en accumulatie van massa in kleinere eerste generatie sterrenstelsels toe, wat een mix van typen mogelijk maakt, sommige met veel, sommige met weinig, en sommige met helemaal geen metaalinhoud. Vervolgens kan de astronoom de geobserveerde helderheid van het sterrenstelsel — die afhangt van zijn roodverschuiving en veronderstelde kosmologie — gebruiken, en wat voor metaalinhoud hij dan ook waarneemt om zo'n kandidaat-sterrenstelsel in het verhaal te passen. Het is erg flexibel. Als het meer metaal heeft, is het meer geëvolueerd dan wanneer het erg weinig metaal bevat.

Bewijs om te overwegen

Onlangs kreeg ik het argument voorgeschoteld dat er een systematische trend van afname van metaalinhoud van sterren/sterrenstelsels was als functie van toenemende roodverschuiving.⁶ Oudere sterrenstelsels zouden hogere roodverschuiving en minder metalen in hun sterren moeten hebben. Hoe past dat in enige creationistische kosmologie? Er werd gesuggereerd dat dit de trend is die de oerknal voorspelt en dat deze tegenstrijdig is met creationistische kosmologieën. Maar dit laatste argument valt of staat met de geldigheid van de roodverschuiving van de bron als indicator van zowel afstand als tijd. Wanneer, zoals Halton Arp tijdens zijn leven sterk uitdroeg,^7,8,9 er een component roodverschuiving is die intrinsiek is aan quasars en active galaxy nuclei (AGN's), dan zijn hun gemeten roodverschuivingen geen betrouwbare afstandsindicatoren en kunnen ze evenmin aangeven hoe jong of hoe geëvolueerd de quasars/sterrenstelsels zouden kunnen zijn, zoals wordt beweerd. Dit ondermijnt de aangenomen trend van lagere metaalwaarde bij een hogere roodverschuiving en derhalve in de 'oudste' generatie sterren. Oudste betekent hier de sterren die zoals beweerd wordt als eerste ontstonden na de oerknal.

Ik wil stellen dat de aangenomen 'jeugdigheid' van een sterrenstelsel — en derhalve hoe massief het is tijdens een bepaalde periode van zijn leven — kritisch afhangt van het precies weten 'wanneer' het is dat je ziet. Maar dat hangt sterk af van de betekenis van de roodverschuivingen van sterrenstelsels en van enig aangenomen kosmologisch model. Bij erg hoge roodverschuivingen wordt een afstelknop die 'sterrenstelselevolutie' heet gebruikt om de sterrenstelsels binnen de trend van metaal versus roodverschuiving te laten passen. Deze wordt gebruikt om elke observatie binnen het algemene verhaal te laten passen.¹⁰ Dit verschaft de nodige flexibiliteit.

Een wet als die van Hubble zou nog steeds van kracht zijn binnen een statisch universum, bijvoorbeeld, maar alleen voor een component van de totale roodverschuiving van een sterrenstelsel. Ik heb gesuggereerd dat het een gevolg kan zijn van 'moe licht', wat Edwin Hubble zelf overwoog.¹¹ Een grote intrinsieke roodverschuiving kan zo verschillende componenten ervan bevatten, terwijl slechts een klein gedeelte het gevolg is van een of andere Wet van Hubble-achtige afstandsrelatie.¹²

Conclusie

Nu de beantwoording van de hoofdvraag: zijn Populatie III-sterren eindelijk ontdekt? Nee, dat zijn ze niet. Het is gewoon meer oerknalpraatjesmakerij. Men zou enkele sterren hebben moeten identificeren die geen metalen bevatten, die zich volgens de gangbare kosmologie bevinden in sterrenstelsels die minder dan 400 miljoen jaar oud zijn, en derhalve met gemeten roodsverschuivingen van de orde 12 of hoger (en dat met toekenning van de geldigheid van de afstand/roodverschuivingsaanname).

Sterrenstelselformatie zou zijn begonnen aan het begin van het tijdperk van re-ionisatie (de gestippelde lijn met de naam 'Hubble 2012' in fig. 2). De eerste sterren zouden daarvoor gevormd zijn, bij een roodverschuiving van 20 of hoger. Daarop volgde de periode waarin de meeste sterrenstelsels werden gevormd, zo gaat het verhaal, vanaf het moment dat de sterrenstelsels een roodverschuiving (z) van ongeveer 12 hadden, en deze duurde tot het moment dat de roodverschuiving 8 was, zoals aangegeven in fig. 2 (tussen de stippellijnen).¹³ Dit komt overeen met een periode van tussen 300 en 700 miljoen jaar na de oerknal.

m.caltech.edu/file/6861

Stel dat men een sterrenstelsel of een groep sterren zou vinden zonder metaalinhoud, dan zou dat nog steeds niet de oerknal bewijzen. Het zou weliswaar bewijs zijn in overeenkomst met een oerknalvoorspelling, maar dit is niet toereikend (anders zou het de drogreden betreffen van de bevestiging van het gevolg). Je zou moeten bewijzen dat het aan geen enkel ander model zou kunnen worden toegeschreven.

Het Bijbelse scheppingsverhaal voorspelt een creatiescenario met verschillende typen sterrenstelsels en sterren. Ze begonnen niet allemaal als embryonale klodders plasma. God formeerde de sterren volledig. Tenslotte "vertelt de hemel [getuigt deze van] Gods eer, het gewelf verkondigt het werk van Zijn handen."(Psalm 19:1)