Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: doen de eerste beelden van de James Webb-ruimtetelescoop astronomen écht twijfelen aan hun meest fundamentele ideeën over ons universum?

‘De eerste glimp die de James Webb-ruimtetelescoop opving van vroege sterrenstelsels zou de kosmologie stuk kunnen maken.’ Een nogal clickbait-achtige kop, maar hij verscheen afgelopen september toch echt op de site van het respectabele tijdschrift Scientific American. Dat zou toch wat zijn, zeg. Onze nieuwste sterrenkijker is pas net serieus met zijn werk begonnen of, hop, hij zet al een streep door ons hele idee van hoe het heelal in elkaar steekt. Maar is dat ook echt zo? Dat bekeek sterrenkundige Maxime Trebitsch van de Rijksuniversiteit Groningen samen met drie collega’s.

Meer Far Out:

• Waar kunnen we het beste naar donkere materie zoeken?
• Nieuwe theorie: de eerste continenten zijn ontstaan door komeetinslagen

Groeiende halo’s

Wat is precies het probleem? Nou, ons huidige begrip van het universum stoelt op het zogenoemde lambda-CDM-model. Daarin staan de letters CDM voor cold dark matter, oftewel: donkere materie in de vorm van ‘koude’ (lees: relatief langzaam bewegende) deeltjes. Daar zou volgens dit model zo’n vijf zesde van de materie in het heelal uit moeten bestaan. En dus blijft er maar een zesde over voor de ‘gewone’ materie waar sterren, planeten, mensen en KIJKs van gemaakt zijn.

Dat lambda-CDM-model kan je ook meer vertellen over het vroege heelal. Toen pakten zich namelijk enorme bolvormige wolken samen, bestaande uit veel donkere materie en een beetje gewone materie: de zogenoemde donkere-materie-halo’s. “Het lambda-CDM-model voorspelt hoe een donkere-materie-halo groeit met het verstrijken van de tijd”, vertelt Trebitsch. “Daardoor weten we redelijk goed wat op een bepaald moment in de geschiedenis van het jonge heelal de maximale massa van zo’n halo is.”

Uit de gewone materie in zo’n donkere-materie-halo kunnen vervolgens sterren ontstaan, die een roterende schijf vormen: een sterrenstelsel. Maar doordat slechts een zesde van de halo uit gewone materie bestaat, kan zo’n stelsel dus nooit meer wegen dan een zesde van de hele halo. En in werkelijkheid, zo nemen astronomen aan, wordt maar een deel van de gewone materie in sterren omgezet: van enkele procenten tot circa 30 procent, afhankelijk van het type stelsel.

Min of meer kloppend

En daar komen die waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop om de hoek kijken, die ons beeld van de kosmos helemaal overhoop zouden hebben gehaald. Daarbij ging het om extreem verre stelsels. Oftewel: om sterrenstelsels in het vroege heelal. Want: hoe groter de afstand tot een bepaald stelsel, hoe langer het licht dat het uitzond erover heeft gedaan om ons te bereiken, en dus hoe verder we terug in de tijd kijken. En, zo leken de James Webb-waarnemingen uit te wijzen: in het vroege heelal – een paar honderd miljoen jaar na de oerknal – waren er meer zware stelsels dan je volgens het lambda-CDM-model zou verwachten. “Waren dat de eerste tekenen dat het universum vreemder en complexer is dan zelfs de meest gedurfde theorieën hadden voorspeld?”, schreef Scientific American met veel gevoel voor drama.

Maar, ho, wacht even. Eigenlijk wisten we afgelopen najaar helemaal niet zo goed hoe ver die ‘vroegvolwassen’ stelsels precies van ons vandaan lagen. De afstanden waren ruwe schattingen, waar je nog niet zo gek veel conclusies aan kon verbinden.

Later werd van vier van die stelsels wél de daadwerkelijke afstand bepaald. En met die vier gingen Trebitsch en zijn team aan de slag. Daarbij gebruikten ze zes verschillende sterrenkundige computersimulaties waarmee je kunt bepalen hoeveel sterrenstelsels van een bepaalde massa je kunt verwachten in een bepaald stuk ruimte, uitgaande van het lambda-CDM-model. Vervolgens bekeken ze of de vier stelsels waarvan de afstand precies was bepaald daarmee rijmden. Hun conclusie: ja, dat doen ze. Min of meer. Als in: de ene simulatie klopt wat beter dan de andere met de waargenomen stelsels, maar ze zitten er volgens Trebitsch en collega’s in elk geval niet zó ver naast dat we ons zorgen hoeven te maken.

Niet pootje gehaakt

Nu is het sowieso de vraag hoeveel je je van die simulaties aan moet trekken. Ivo Labbé, sterrenkundige aan de Technische Universiteit van Swinburne in Australië, zegt dat die eigenlijk zijn gemaakt om het huidige heelal te beschrijven. Of ze nog zinnige dingen opleveren als je ze loslaat op het heelal van enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal, is dus onduidelijk. Maar ook los van die simulaties lijkt het er volgens Labbé op dat die vier vroege stelsels waarvan de afstanden goed gemeten zijn, niet in strijd zijn met het lambda-CDM-model.

Neem je ook de andere sterrenstelsels mee waar James Webb naar keek, dan lijkt er wel iets aan de hand te zijn, vervolgt Labbé. Maar ook dat betekent niet automatisch dat het lambda-CDM-model niet klopt. “Misschien waren sterrenstelsels veel efficiënter in het omzetten van gas in sterren dan gedacht. Of misschien ontstonden sterren niet steeds in hetzelfde tempo, maar vormden er op het ene moment weinig en op het andere juist heel veel. Beide verschijnselen zouden zorgen voor veel meer zware stelsels in het vroege heelal.”

Kortom: ons huidige begrip van de kosmos is nog zeker niet pootje gehaakt door James Webb. Er lijkt weinig aan de hand als je de stelsels buiten beschouwing laat waarvan we de afstanden niet goed kennen, zo hebben Trebitsch en zijn team laten zien. En zelfs als we die stelsels wél meenemen, zijn er verklaringen mogelijk waarbij de theorie niet de prullenmand in hoeft.

Deze Far Out staat ook in KIJK 4/2023, via onderstaande knop te koop.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor dit artikel raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: B.W. Keller e.a.: Can Cosmological Simulations Reproduce the Spectroscopically Confirmed Galaxies Seen at z ≥ 10?, ArXiv.org (24 december 2022) | Jonathan O’Callaghan: JWTS’ First Glimpes of Early Galaxies Could Break Cosmology, Scientific American (14 september 2022).