De James Webb ruimtetelescoop herschrijft wat we dachten te weten over het heelal

Wat is de JWST en waarin verschilt deze van de Hubble ruimtetelescoop?

De lancering van de James Webb Space Telescope (JWST) op 25 december 2021 roept een aantal serieuze vragen op over het standaard kosmologisch model, die waarschijnlijk zullen leiden tot herzieningen van het standaardmodel, zo niet tot een substantiële - of zelfs volledige - herschrijving ervan. Voor niet-ingewijden: de James Webb-telescoop is de grootste en krachtigste ruimtetelescoop die ooit gemaakt is, kost meer dan 10 miljard dollar en duurt bijna 20 jaar om te bouwen. De primaire spiegel van de JWST heeft een diameter van 6,5 meter (21,3 feet), aanzienlijk groter dan de 2,4 meter (7,9 feet) spiegel van de Hubble, waardoor hij 6 keer zoveel licht kan opvangen. Hoewel de Hubble-spiegel infrarood licht kan opvangen, is deze voornamelijk ontworpen om zichtbaar licht en ultraviolet licht op te vangen.

De nadruk die de JWST legt op het opvangen van infrarood licht is belangrijk omdat het door kosmische stofwolken heen kan kijken en veel verder terug in de tijd kan kijken. Omdat het heelal uitdijt, is het licht van de vroegste sterren en sterrenstelsels "roodverschoven" van zichtbaar naar ultraviolet licht en uiteindelijk naar infrarode golflengten tegen de tijd dat het onze locatie in het heelal bereikt. Terwijl de Hubble gravitationele lensing heeft kunnen gebruiken om tot 13,4 miljard jaar geleden terug te kijken, is JWST in staat om de beelden van deze sterrenstelsels duidelijker op te lossen en verder te kijken dan de "peuterstelsels" (zoals NASA ze beschrijft) van de Hubble naar de eerste sterrenstelsels die gevormd zijn om te zien wat "babystelsels" zouden moeten zijn. Tot nu toe is het vroegste sterrenstelsel dat JWST heeft kunnen waarnemen geïdentificeerd als daterend van slechts 320 miljoen jaar na de oerknal.

Wat zijn de belangrijkste en meest uitdagende bevindingen van de Webb Telescoop tot nu toe?

De JWST heeft sterrenstelsels ontdekt die - op de huidige kosmologische tijdschaal van 13,7 miljard jaar - tussen de 500 miljoen en 700 miljoen jaar oud zijn. Dit is op zich niet onverwacht. Wat wel onverwacht is, is hoe massief deze sterrenstelsels zijn, waarvan vele op één lijn staan met de grootte van ons eigen Melkwegstelsel. Totdat de JWST deze sterrenstelsels waarnam, werd het voorheen onmogelijk geacht dat sterrenstelsels van deze grootte zo vroeg in de schijnbare geschiedenis van het heelal bestonden. Wetenschappers hadden verwacht dat de JWT relatief kleine sterrenstelsels in deze tijdschaal zou ontdekken, maar deze grote sterrenstelsels die zich zo vroeg in het heelal hebben gevormd, worden "heelalbrekers" genoemd, omdat ze eenvoudigweg niet zouden mogen bestaan als het heelal slechts 13,7 miljard jaar oud was, zoals wordt verondersteld.

Eén van deze oude sterrenstelsels, ZF-UDS-7329 genaamd, is groter dan de Melkwegis groter dan de Melkweg, maar werd slechts 800 miljoen jaar na de oerknal gevormd. Tot de ontdekking werd gedacht dat sterrenstelsels van deze schaal pas gevormd konden worden nadat er donkere materie in het heelal was uitgezaaid. Het bestaan ervan gooit zowel de leeftijd van het heelal als de manier waarop wetenschappers dachten dat de vereisten waren om sterrenstelsels van deze grootte te kunnen vormen, overhoop. JWST heeft ook andere structuren in de ruimte ontdekt in het centrum van onze eigen Melkweg - op zo'n 25.000 lichtjaar afstand - die wetenschappers nog nooit eerder hebben waargenomen en die ze moeilijk kunnen verklaren. Deze omvatten een blauwe wolk van geïoniseerde waterstof die een enorm gebied in de ruimte bedekt in de regio van Sagittarius C, inclusief wat beschreven wordt als "naaldachtige" structuren die chaotisch in meerdere richtingen wijzen.

Een van de centrale kenmerken van het standaard kosmologische model is de zogenaamde Hubble-constante. Deze constante is vernoemd naar Edwin Hubble (zoals de telescoop), die als eerste waarnam dat het heelal uitdijde met een snelheid die evenredig en constant was aan de afstand van een object tot de aarde. Waarnemingen met de Hubble-telescoop resulteerden in wat bekend is geworden als de Hubble-spanning, waarbij verschillende technieken om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten verschillende resultaten hebben opgeleverd. Nu heeft de JWST bevestigd dat deze verschillende waarnemingen inderdaad correct zijn en dat het heelal niet met een constante snelheid uitdijt, maar met verschillende snelheden die variëren wanneer we verschillende delen van het heelal waarnemen. Deze bevinding is rechtstreeks in tegenspraak met het huidige denken over de uitdijing van het heelal als een oerknal centraal zou hebben gestaan bij het ontstaan ervan en de daaropvolgende inflatie.

De JWST heeft ook veel meer reusachtige zwarte gaten geïdentificeerd die al gevormd waren in wat wij begrijpen als het vroege heelal. Dit is ook een volledig onverwachte bevinding. Normaal gesproken vormen superzware zwarte gaten zich door de ophoping van gassen gedurende vele miljoenen jaren; maar deze superzware zwarte gaten leken zich veel sneller te hebben gevormd dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Ze roepen ook vragen op over of ze veel sneller gegroeid zijn dan eerder voor mogelijk werd gehouden, of dat ze eigenlijk gewoon groot geboren zijn. Hoe dan ook, de bevindingen van de JWST zullen de boeken herschrijven - ofwel over de manier waarop en de snelheid waarmee superzware zwarte gaten worden gevormd, ofwel over de vraag of het heelal veel ouder is dan wetenschappers oorspronkelijk dachten.

Wat betekent dit voor het standaard kosmologische model?

Een wetenschapper van de Universiteit van Ottawa, Dr. Rajendra Gupta, beweert dat zijn meest recente berekeningen aangeven dat het heelal niet 13,7 miljard jaar oud is, maar 26,7 miljard jaar. Hij stelt dat het standaard kosmologische model dat roodverschuiving gebruikt om de leeftijd van het heelal te bepalen, ook rekening moet houden met wat bekend staat als de "tired light theory", die suggereert dat de reden voor de schijnbare roodverschuiving niet de afstand is die een object van de aarde verwijderd is, maar ook rekening moet houden met het feit dat de energie van lichtfotonen na verloop van tijd verdwijnt. Dit zou kunnen verklaren waarom een ster zoals Methuslahmomenteel de oudste ster is die ooit is waargenomen, ouder lijkt te zijn dan de huidige geschatte leeftijd van het heelal van 14,3 miljard jaar.

Gupta's visie moet echter nog door de hele wetenschappelijke gemeenschap worden gedeeld, omdat de JWST pas medio 2022 operationeel is en er nog veel meer gegevens moeten worden verzameld en er nog veel meer cijfers en theoretische modellen op de gegevens moeten worden toegepast. Er zijn zelfs nog radicalere stellingen dan die van Gupta, die beweren dat het ontstaan van het heelal helemaal niet is begonnen met de oerknal, terwijl een andere theorie veronderstelt dat het heelal gewoon eeuwig heeft bestaan. Na de lancering van de JWST is één ding zeker - het standaard kosmologische model zal op zijn minst herzien moeten worden. Alleen de tijd zal leren of het volledig herschreven en vervangen moet worden door een geheel nieuwe verklaring voor het ontstaan van het heelal en de leeftijd ervan.