Grote spiralen draaien extra snel

Grote spiralen draaien sneller
De bovenste rij van dit mozaïek bevat Hubble-beelden van drie spiraalvormige melkwegstelsels, die elk een aantal keer zo zwaar zijn als de Melkweg. De onderste rij toont drie nog meer massieve spiraalvormige sterrenstelsels die zich kwalificeren als “superspiralen”, die werden waargenomen door de Sloan Digital Sky Survey op de grond. Superspiralen hebben meestal 10 tot 20 keer de massa van ons sterrenstelsel. Het melkwegstelsel rechtsonder, 2MFGC 08638, is de meest massieve superspiraal die we tot nu toe kennen, met een donkere materiehalo van minstens 40 biljoen zonnen. Astronomen hebben de draaisnelheden aan de buitenkant van deze spiralen gemeten om te bepalen hoeveel donkere materie ze bevatten. Ze ontdekten dat de superspiralen de neiging hebben om veel sneller te draaien dan verwacht voor hun stermassa’s, waardoor ze uitschieters worden. Hun snelheid kan het gevolg zijn van de invloed van een omringende donkere materiehalo, waarvan de grootste de massa van minstens 40 biljoen zonnen bevat. Credit: NASA

Als het op sterrenstelsels aankomt hoe snel is dan snel? Ons sterrenstelsel, dat een gemiddeld spiraalstelsel is, draait in de omgeving van de Zon met een snelheid van ongeveer 210 km/s rond). Nieuw onderzoek heeft ontdekt dat de grootste sterrenstelsels veel sneller draaien dan verwacht. Deze “super” spiraalstelsels hebben een massa van ongeveer 20 * de massa van ons sterrenstelsel en ze draaien met snelheden tot 570 km/s.

Deze superspiralen zijn op meerdere gebieden uitzonderlijk. Naast dat ze veel meer massa bevatten dan ons eigen sterrenstelsel zijn ze ook veel helderder en groter. De grootste van deze superspiralen hebben een doorsnede van 450.000 lichtjaar. Dat is fors meer dan de 100.000 lichtjaar van ons eigen sterrenstelsel. Er zijn slechts een 100-tal superspiralen bekend. Ze werden als een belangrijke nieuwe klasse van sterrenstelsels onderkend na uitgebreid onderzoek aan de hand van gegevens van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en de NASA/IPAC Extragalactic Database (NED).

Volgens Patrick Ogle van het Space Telescope Science Institute en eerste auteur van het artikel zijn deze superspiralen op alle gebieden extreem en breken de records op het gebied van rotatiesnelheden.

Het artikel van Ogle en anderen werd op 10 oktober 2019 gepubliceerd in het tijdschrift “Astrophysical Letters”. Het artikel presenteert nieuwe gegevens over de rotatiesnelheden van superspiralen. Deze gegevens zijn verzameld met de Southern African Large Telescope (SALT). Dit is de grootste enkelvoudige optische telescoop op het zuidelijk halfrond. Met behulp van de 5 meter Hale telescoop op Mount Palomar werd aanvullend onderzoek gedaan. Ook werden gegevens van de Wide-field Infrared Survey Exploreer (WISE) van de NASA gebruikt om de mate van stervorming en de massa van de sterrenstelsels te bepalen.

Theorie suggereert dat superspiralen zo snel draaien omdat ze zich in ongelooflijk grote wolken of halo’s van donkere materie bevinden. Donkere materie wordt al tientallen jaren in verband gebracht met de rotatie van sterrenstelsels. Astronome Vera Rubin deed al baanbrekend werk op het gebied van de rotatie van sterrenstelsels. Ze toonde aan dat spiraalstelsels sneller draaien dan op grond van de zwaartekracht, berekend uit hun sterren en gas, kan worden verwacht.

Er moet dus een aanvullende onzichtbare substantie aanwezig zijn die de rotatie van een sterrenstelsel beïnvloedt. Een spiraalstelsel van een bepaalde massa in sterren moet op een bepaalde berekende snelheid ronddraaien. Het team van Ogle vond dat superspiralen significant sneller draaien dan op grond van standaardberekeningen werd verwacht.

Superspiralen komen voor in groter dan normale halo’s van donkere materie. De meest massieve halo die Ogle heeft kunnen meten bevat meer massa dan 40 biljoen zonsmassa. Die hoeveelheid donkere materie zou normaal een groep van sterrenstelsels bevatten in plaats van een enkel sterrenstelsel.

Volgens Ogle lijkt het erop dat de draaiing van een sterrenstelsel wordt bepaald door de massa van de halo van donkere materie waarin dat sterrenstelsel zich bevindt.

Het feit dat superspiralen de gebruikelijke relatie tussen massa in sterren en draaisnelheid doorbreken is een nieuw bewijs tegen een alternatieve theorie van de zwaartekracht die bekend staat als Modified Newtonian Dynamics, of MOND. MOND stelt voor dat op de grootste schalen zoals melkwegstelsels en melkwegclusters de zwaartekracht iets sterker is dan door Newton of Einstein voorspeld zou worden. Dit zou er bijvoorbeeld voor zorgen dat de buitenste regionen van een spiraalstelsel sneller zouden draaien dan op basis van de massa van het spiraalstelsel in sterren wordt verwacht. MOND is ontworpen om de standaardrelatie in spiraalrotatiesnelheden na te bootsen, en kan daarom geen uitbijters zoals superspiralen verklaren. De waarnemingen van de superspiraal suggereren dat er geen niet-Newtoniaanse dynamica nodig is.

Hoewel het de meest massieve spiraalvormige sterrenstelsels in het heelal zijn, zijn superspiralen in feite ondergewaardeerd in sterren in vergelijking met wat je zou verwachten op grond van de hoeveelheid donkere materie die ze bevatten. Dit suggereert dat alleen al de hoeveelheid donkere materie de stervorming remt. Er zijn twee mogelijke oorzaken: 1) Elk extra gas dat in het melkwegstelsel wordt getrokken stort in elkaar en wordt opgewarmd, waardoor het niet kan afkoelen en geen sterren kan vormen, of 2) De snelle draaiing van het melkwegstelsel maakt het moeilijker voor gaswolken om in te storten tegen de invloed van de middelpuntvliedende kracht in.

Ondanks deze verstorende invloeden zijn superspiralen nog steeds in staat om sterren te vormen. Hoewel de grootste elliptische melkwegstelsels meer dan 10 miljard jaar geleden alle of de meeste van hun sterren vormden, vormen superspiralen vandaag de dag nog steeds sterren. Ze zetten ongeveer 30 keer de massa van de Zon elk jaar om in sterren, wat normaal is voor een melkwegstelsel van die grootte. Ter vergelijking, onze Melkweg vormt ongeveer één zonsmassa aan sterren per jaar.

Ogle en zijn team hebben aanvullende waarnemingen voorgesteld om belangrijke vragen over superspiralen te beantwoorden, waaronder waarnemingen om de beweging van gas en sterren in hun schijven beter te bestuderen. Na de lancering in 2021 kan de James Webb-ruimtetelescoop van de NASA superspiralen op grotere afstanden en op jongere leeftijd bestuderen om te leren hoe ze zich in de loop der tijd ontwikkelen. En NASA’s WFIRST-missie kan dankzij het grote gezichtsveld helpen om meer superspiralen, die uiterst zeldzaam zijn, te lokaliseren,.

Artkel: “A Break in Spiral Galaxy Scaling Relations at the Upper Limit of Galaxy Mass” 

Eerste publicatie: 19 oktober 2019
Bron: SpaceDaily en anderen