De Melkweg – ons eigen sterrenstelsel

Het bestuderen van ons eigen sterrenstelsel is een lastige klus. Astronomen vergelijken de inspanning wel eens met het beschrijven van de grootte en structuur van een bos terwijl je er zelf midden in staat. Vanuit onze positie op Aarde missen we eenvoudigweg het overzicht. Maar sinds de jaren ’90 zijn er twee ruimtetelescopen gelanceerd die ons hebben geholpen met de gouden eeuw van het onderzoek van onze Melkweg. Vooral sinds de lancering van de Europese Gaia-missie is er enorme vooruitgang geboekt.

Het Melkwegstelsel is ons thuis in de ruimte en wij leven in de gouden eeuw van het onderzoek van ons sterrenstelsel.

Zichtbaar aan de nachtelijke hemel (waar lichtvervuiling het toestaat) als een betoverende gloeiende band van sterren en stof, fascineert de Melkweg al millennia lang de mensheid. Pogingen om de Melkweg in kaart te brengen dateren al uit het oude Griekenland. Maar pas in de jaren twintig van de vorige eeuw realiseerden astronomen zich dat de Melkweg slechts een van de vele sterrenstelsels is die het heelal bevolken. Tot dan toe geloofden de meesten dat de Melkweg en het heelal één waren.

De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, naar wiens eer de beroemde ruimtetelescoop werd vernoemd, doorbrak het mysterie toen hij erin slaagde de afstand tot de Andromedanevel te bepalen. Dit vage object, bekend sinds de 18^de eeuw, werd oorspronkelijk beschouwd als een ander soort ster in de Melkweg. Maar Hubble’s waarnemingen bewezen dat de Andromedanevel veel te ver weg was en in feite een op zichzelf staand sterrenstelsels was, net als de Melkweg. Sindsdien hebben astronomen geleerd dat de Andromedanevel op een dag het einde van ons eigen sterrenstelsel zoals we dat nu kennen, zal bewerkstelligen want over 4 tot 5 miljard jaar zullen de twee met elkaar in botsing komen.

Sinds Hubble’s tijd hebben astronomen ontdekt dat er miljarden sterrenstelsels in het heelal zijn en dat ze in verschillende soorten en maten voorkomen. En ze hebben een grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen van ons eigen sterrenstelsel.

Welke structuur heeft de Melkweg?

Type	Spiraalstelsel
Leeftijd	13,6 miljard jaar
Aantal sterren	± 200 miljard
Rotatieperiode	230 miljoen jaar

Ons sterrenstelsel heeft een doorsnede van ongeveer 100.000 lichtjaar en qua structuur is het een spiraalvormig sterrenstelsel.

Door verbeterde telescopen konden astronomen de basisvorm en -structuur van enkele van de dichtstbijzijnde sterrenstelsels onderscheiden voordat ze wisten dat ze naar sterrenstelsels keken. Maar het reconstrueren van de vorm en de structuur van ons eigen galactische huis ging langzaam en moeizaam. Het proces omvatte het maken van catalogi van sterren, het in kaart brengen van hun posities aan de sterrenhemel en het bepalen van hun afstand tot de Aarde.

De Nederlandse astronoom Jan Hendrik Oort, ook wel de meester van het galactische systeem genoemd, was de eerste die besefte dat de Melkweg niet onbeweeglijk is maar draait en hij berekende snelheden waarmee sterren op verschillende afstanden rond het galactische centrum draaien. Het was ook Oort die de positie van de Zon in de uitgestrekte Melkweg bepaalde (de Oortwolk, een opslagplaats van miljarden kometen ver van de Zon is ook naar hem vernoemd).

Geleidelijk ontstond er een complex beeld van een spiraalstelsel dat er heel gewoon uitziet.

In het centrum van ons sterrenstelsel bevindt zich een superzwaar zwart gat, Sagittarius A*. Met een massa van ongeveer 4 miljoen zonsmassa kan het zwarte gat, ontdekt in 1974, met behulp van radiotelescopen in de richting van het sterrenbeeld Sagittarius – Boogschutter worden bestudeerd.

Al het andere in ons sterrenstelsel draait om deze krachtige poort naar het niets. In de directe omgeving bevindt zich een dicht opeengepakt gebied van stof, gas en sterren, de galactische “bulge” (Een bulge is in de astronomie het gebied met grote sterdichtheid in het centrale deel van een sterrenstelsel. Meestal wordt hiermee het centrale gebied in een spiraalvormig sterrenstelsel bedoeld. Oorspronkelijk werd gedacht dat een bulge een elliptisch sterrenstelsel was met eromheen een schijf van sterren. Waarnemingen met hoge resolutie met de Hubble ruimtetelescoop hebben laten zien dat daarnaast vele andere bulges eigenschappen hebben die lijken op die van spiraalvormige sterrenstelsels.) In het geval van ons sterrenstelsel heeft deze bulge de vorm van een pinda met een doorsnede van ongeveer 10.000 lichtjaar. De bulge bevat ongeveer 10 miljard sterren (van de in totaal ongeveer 200 miljard sterren van de Melkweg), voornamelijk oude rode reuzen die  in de vroege stadia van de evolutie van ons sterrenstelsel zijn ontstaan.

Voorbij de bulge strekt de galactische schijf zich uit. Dit kenmerk is 100.000 lichtjaar in doorsnee en 1000 lichtjaar dik en het is de thuisbasis van de meerderheid van de sterren van ons sterrenstelsel, inclusief van de Zon. Sterren in de schijf zijn verspreid in wolken van stellair stof en gas. Als we ’s nachts naar de lucht kijken is het de zijkant van deze schijf die zich uitstrekt naar het galactische centrum dat ons de adem beneemt.

Sterren in de schijf draaien rond het galactische centrum en vormen wervelende stromen die als armen uit de galactische bulge lijken te komen. Onderzoek naar de mechanismen die de creatie van de spiraalarmen aansturen staat nog in de kinderschoenen maar de laatste studies suggereren dat deze armen ontstaan en zich verspreiden binnen relatief korte tijdsperioden van slechts 100 miljoen jaar.

In die armen zijn sterren, stof en gas dichter opeengepakt dan in de meer losjes gevulde gebieden van de galactische schijf. Deze verhoogde dichtheid leidt tot intensievere stervorming. Als gevolg hiervan zijn sterren in de galactische schijf vaak veel jonger dan die in de bulge.

Spiraalarmen zijn als verkeersopstoppingen in die zin dat gas en de sterren samenklonteren en langzamer bewegen in de armen. Naarmate materiaal door de dichte spiraalarmen gaat wordt het samengedrukt en dit veroorzaakt meer stervorming.

Momenteel heeft ons sterrenstelsel vier spiraalarmen. Er zijn twee hoofdarmen, Perseus en Scutum-Centaurus, en de Boogschutter en Lokale Arm die minder uitgesproken zijn. Wetenschappers onderzoeken nog steeds de exacte positie en de vorm van deze armen. Ze doen dit met behulp van precieze metingen van de Gaia-satelliet van de ESA.

De galactische schijf is niet plat maar een beetje kromgetrokken. Terwijl de schijf roteert tolt de schijf als een wiebelende tol. Deze wiebeling, in wezen een gigantische rimpeling, cirkelt veel langzamer om het galactische centrum dan de sterren in de schijf en voltooit een volledige rotatie in ongeveer 600 tot 700 miljoen jaar (ter vergelijking: onze Zon heeft 230 miljoen jaar nodig voor een volledig ronde om het centrum). Astronomen denken dat deze rimpeling het gevolg kan zijn van een eerdere botsing met een ander sterrenstelsel.

Rondom de schijf en de bulge bevinden zich bolvormige sterrenhopen. Dit zijn enorme verzamelingen van oude sterren. Ook draaien er ongeveer 50 dwergsterrenstelsels in een baan om ons sterrenstelsel of liggen op ramkoers met ons sterrenstelsel.

Dat alles wordt omringd door een bolvormige halo van stof en gas die twee keer zo groot is als de schijf. Astronomen geloven dat het hele sterrenstelsel ingebed is in een nog grotere halo van onzichtbare donkere materie. Aangezien donkere materie geen licht uitstraalt kan de aanwezigheid ervan alleen indirect worden afgeleid door de zwaartekrachtseffecten op de bewegingen van sterren in de Melkweg. Berekeningen suggereren dat dit raadselachtige spul tot 90% van de massa van ons sterrenstelsel uitmaakt.

Hoewel astronomen weten dat donkere materie er zou moeten zijn en ze denken dat het er zou moeten zijn kan de verhouding tussen donkere materie en lichtgevende materie in bepaalde sterrenstelsels ter discussie staan.

De massa van de Melkweg, inclusief donkere materie, is volgens recente schattingen gelijk aan 1,5 biljoen zonsmassa. De zichtbare materie van ons sterrenstelsel is verdeeld over zijn 200 miljard sterren, hun planeten en de enorme wolken van gas en stof die de interstellaire ruimte vullen.

Waar bevindt de Zon zich in de Melkweg?

Voor ons op Aarde is de Zon kostbaar en onvervangbaar. Zonder zijn licht en warmte zou het meeste leven op Aarde niet mogelijk zijn. Maar in het galactische perspectief is de Zon slechts één (vrij gewone) ster van de 200 miljard.

De Zon draait op ongeveer 26.000 lichtjaar van het zwarte gat Sagittarius A*, ongeveer in het midden van de galactische schijf. Met een snelheid van 828.000 kilometer per uur heeft de Zon 230 miljoen jaar nodig om een volledige baan rond het galactische centrum te voltooien. Dat betekent dat de laatste keer dat onze planeet zich exact op dezelfde plaats in de Melkweg bevond als nu, het de dinosaurussen waren die vol ontzag de sterrenhemel konden aanschouwen.

De Zon bevindt zich aan de rand van de Lokale Arm, een van de twee kleinere spiraalarmen van de Melkweg. In 2019 ontdekten astronomen met behulp van gegevens van de Gaia-missie dat de Zon in wezen surft op een golf van interstellair gas van 9000 lichtjaar lang, 400 lichtjaar breed en 500 lichtjaar golvend boven en onder de galactische schijf.

De planeten van het zonnestelsel draaien niet in het vlak van de Melkweg maar maken een hoek van ongeveer 63°.

Hoe oud is de Melkweg?

Astronomen denken dat de Melkweg ongeveer 13,6 miljard jaar oud is, slechts 200 miljoen jaar jonger dan het heelal.

De evolutie van ons sterrenstelsel begon toen wolken van gas en stof begonnen in te storten, samengedrukt door de zwaartekracht. De eerste sterren verrezen uit de ineengestorte wolken, de sterren die we tegenwoordig in de bolvormige sterrenhopen zien. De bolvormige halo verscheen kort daarna, gevolgd door de platte galactische schijf. Het sterrenstelsel begon klein en groeide toen de onontkoombare zwaartekracht alles samentrok. De evolutie van de Melkweg is echter nog steeds in nevelen gehuld.

Een discipline genaamd galactische archeologie ontrafelt langzaam enkele van de puzzels van het leven van ons sterrenstelsel. Dit kunnen ze doen mede dankzij de Gaia-missie die in 2018 zijn eerste catalogus met gegevens uitbracht.

Gaia meet de exacte posities en afstanden van 1 miljard sterren, evenals hun lichtspectra. Hierdoor kunnen astronomen de samenstelling en leeftijd van de sterren leren begrijpen. Met de positiegegevens kunnen astronomen de snelheden en richtingen bepalen waarin de sterren in de ruimte bewegen. Omdat objecten in de ruimte voorspelbare banen volgen kunnen astronomen de paden van sterren miljarden jaren in het verleden en in de toekomst reconstrueren.

Hoe is ons sterrenstelsel ontstaan?

In 2018 vond een groep Nederlandse astronomen een groep van 30.000 sterren die synchroon door de omgeving van de Zon bewegen in de tegenovergestelde richting van de rest van de sterren in de dataset. Het bewegingspatroon kwam overeen met wat astronomen eerder hadden gezien in computersimulaties van galactische botsingen. Deze sterren verschilden ook in kleur en helderheid wat suggereerde dat ze uit een ander sterrenstelsel kwamen.

Een jaar later werden restanten van een andere, iets jongere, botsing opgemerkt. De Melkweg blijft tot op de dag van vandaag kleinere sterrenstelsels verslinden. Een sterrenstelsel met de naam Sagittarius (niet te verwarren met het zwarte gat) draait momenteel in de buurt van de Melkweg en is in de afgelopen 7 miljard jaar waarschijnlijk verschillende keren door zijn galactische schijf heen gebroken. Met behulp van gegevens van Gaia ontdekten astronomen dat deze botsingen periodes van intense stervorming in de Melkweg veroorzaakten en mogelijk zelfs iets te maken hadden met de kenmerkende spiraalvorm van de Melkweg. De studie suggereert dat onze Zon ongeveer 4,6 miljard jaar geleden in een van die periodes werd geboren.

De toekomst van het Melkwegonderzoek

Sinds het begin van zijn operaties heeft de Gaia-missie drie updates vrijgegeven van zijn enorme sterrencatalogus. Astronomen van over de hele wereld blijven de gegevens analyseren op zoek naar nieuwe patronen en onthullingen. In feite genereren Gaia-gegevens momenteel meer onderzoeksartikelen dan de beroemde Hubble Space Telescope.

Gaia zal tot minstens 2025 doorgaan met het in kaart brengen van ons sterrenstelsel en de catalogus die dit heeft opgeleverd zal astronomen de komende decennia bezig houden.

Vóór Gaia kwam de grootste dataset van sterposities en afstand van sterren in ons sterrenstelsel van de Hipparchos-missie. Hipparchos was vernoemd naar een oude Griekse astronoom die 150 jaar voor Christus begon met het in kaart brengen van de nachtelijke hemel. Hipparchos zag slechts ongeveer 100.000 van de helderste sterren in de buurt van de Zon, veel minder dan de 1 miljard van Gaia. De gegevens van Hipparchos waren ook minder nauwkeurig.

Hoewel Gaia minder dan 1% van de sterren in ons sterrenstelsel ziet kunnen astronomen zijn bevindingen uitbreiden en het gedrag van de hele Melkweg met behulp van computers modelleren.

Eerste publicatie: 22 maart 2022
Bron: space.com & anderen