Wat is een sterrenstelsel?

Messier in het sterrenbeeld Hydra - Waterslang
Deze opname van de Hubble Space Telescope toont het nabije spiraalvormige sterrenstelsel Messier 83 in het sterrenbeeld Hydra- Waterslang. Messier 83 bevindt zich op een afstand van ongeveer 15 miljoen lichtjaar. De paarse en blauwe vlekken zijn gebieden waar nog actieve stervorming plaats vindt.
Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Als je met een telescoop de nachtelijke sterrenhemel afspeurt dan zie je meer dan met het blote oog. Dan zie je heel veel sterren die eigenlijk helemaal geen sterren zijn. Veel van die lichtpuntjes zijn sterrenstelsels, verzamelingen van miljoenen tot miljarden sterren. Sterrenstelsels bestaan uit sterren, stof en donkere materie die door middel van zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.

Astronomen weten niet precies hoe sterrenstelsels ontstaan. Na de Oerknal bestond de ruimte nagenoeg volledig uit waterstof en helium. Sommige astronomen denken dat zwaartekracht er voor heeft gezorgd dat stof en gas samentrokken tot individuele sterren en dat die sterren dichter bij elkaar kwamen tot verzamelingen van sterren die uitgroeiden tot sterrenstelsels. Andere astronomen denken dat de massa die nodig is voor een sterrenstelsel samentrok voordat er de eerste sterren uit ontstonden. Astronomen verbeteren ook hun technieken om de massa van individuele sterrenstelsels te bepalen. Zo gebruikte een onderzoek uit 2018 driedimensionale bewegingen van verschillende sterrenstelsels om de massa van ons eigen sterrenstelsel beter te kunnen bepalen.

De ontdekking van eilanden in het heelal

In het begin van de 19de eeuw dachten veel astronomen dat het heelal gelijk was aan ons eigen sterrenstelsel alleen. Anderen, zoals de Amerikaanse astronoom Harlow Shapley, beweerde dat de spiraalvormige  bobbels die men kon zien uit gas en stof bestaan en dat ze zich buiten ons eigen sterrenstelsel bevonden. Hij noemde ze “island universes”.

Het duurde tot 1924 toen de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble verschillende speciale pulserende sterren, Cepheïde veranderlijke sterren, ontdekte en zich realiseerde dat die sterren zich voorbij de grenzen van ons sterrenstelsel moesten bevinden. Deze hemelse objecten waren compleet unieke verzamelingen van sterren die ver verwijderd zijn van ons eigen sterrenstelsel.

Nadat Hubble de afstand tot afzonderlijke sterrenstelsels had bepaald begon hij hun Dopplerverschuiving te bepalen. De Dopplerverschuiving is de mate van hoe het licht van een sterrenstelsel wordt uitgerekt als gevolg van hun beweging. Hij berekende dat de sterrenstelsels rond ons eigen sterrenstelsel zich allemaal met enorme snelheden van ons weg bewegen. Hoe verder weg hoe groter de snelheid van die sterrenstelsels was. Hieruit concludeerde hij dat het heelal moest uitdijen en jaren later ontdekten astronomen dat die uitdijing versneld.

Kenmerken van sterrenstelsels

De meeste sterrenstelsels hebben zwarte gaten in hun centra die enorme hoeveelheden energie kunnen produceren die astronomen over grote afstanden kunnen waarnemen. In sommige gevallen is het centrale zwarte gat zelfs in kleine sterrenstelsels extreem groot of actief. Materiaal dat dat rond het zwarte gat draait kan door de straalstromen naar  uiten worden geslingerd. Andere sterrenstelsels kunnen quasars bevatten in hun kern, dit zijn de meest energetische objecten in het heelal.

Sterrenstelsels worden aan de hand van hun vorm geclassificeerd. Ieder type heeft verschillende kenmerken en een verschillende ontstaansgeschiedenis.

Zo zijn er sterrenstelsels, zoals onze Melkweg, die armen hebben die vanaf het centrum naar buiten toe spiraliseren. We noemen ze spiraalvormige sterrenstelsels en ze vormen de grootste groep die astronomen kunnen zien. Het gas en stof in een spiraalstelsel draait met een snelheid van honderden kilometers per seconde om het centrum waarbij de draaikolkvorm ontstaat. Sommige zijn bekend als balkspiraalvormige sterrenstelsels, deze hebben een balkstructuur in hun centrum. Het gas en stof van spiraalstelsels zorgt voortdurend voor het ontstaan van nieuwe sterren.

Elliptische sterrenstelsels hebben gene spiraalarmen. Ze hebben een cirkelvormige of langgerekte structuur. Elliptische sterrenstelsels bevatten veel minder stof dan spiraalstelsels en er vindt dan ook geen stervorming meer plaats. Ze hebben veel oude sterren. Ofschoon ze maar een klein gedeelte vormen van alle zichtbare sterrenstelsels denken dat astronomen dat ongeveer de helft van alle sterrenstelsels in het heelal elliptische sterrenstelsels zijn.

De ontbrekende 3 procent van de sterrenstelsels zijn de onregelmatige sterrenstelsels. Ze hebben geen spiraalarmen en ze zijn niet rond. Ze hebben eigenlijk een onduidelijke structuur. Ze zijn vaak vervormd door de aantrekkingskracht van andere sterrenstelsels. Ook botsingen of bijna-botsingen kunnen hun vorm hebben verstoort.

Als sterrenstelsels botsen

Sterrenstelsels bewegen zich niet geïsoleerd door de ruimte maar ze komen voor in groepen die we clusters noemen. Sommige clusters zijn groot en bevatte meer dan duizend sterrenstelsels maat er zijn ook clusters die veel kleiner zijn. Onze Melkweg maakt deel uit van een cluster die we de Lokale groep noemen en die ongeveer 50 sterrenstelsels bevat.

Zo nu en dan komen sterrenstelsels in botsing met elkaar en dan versmelten hun sterren en stof. Dit is een belangrijke stap in de evolutie en groei van veel sterrenstelsels. Eind 2018 werd een studie gepubliceerd waarin astronomen lieten zien hoe twee supermassieve zwarte gaten aan het einde van een fusie van twee sterrenstelsels in elkaar opgingen. Het was voor het eerst dat we de laatste fase van de fusie van twee sterrenstelsels zagen.

Individuele sterren fuseren niet tijdens de fusie van sterrenstelsels maar de toestroom van gas en stof zorgt wel voor een toename van de stervorming. Over ongeveer 4 tot 5 miljard jaar zullen onze Melkweg en het Andromedastelsel botsen en we weten dat er in het verleden ook al botsingen hebben plaatsgevonden. Astronomen kunnen aan de vorm van ons sterrenstelsel zien dat er in het verleden al fusies hebben plaatsgevonden en vermoedelijk heeft ook het Andromedastelsel al een van de boertjes en zusjes van onze Melkweg verorberd.

Opkomend onderzoek van sterrenstelsels

De laatste jaren hebben astronomen sterrenstelsels gevolgd en gezien hoe hun evolutie wordt vormgegeven door donkere materie, iets wat we met traditionele telescopen niet kunnen zien. Donkere materie en donkere energie samen zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de massa en de energie van het heelal maar het is lastig om hun bestaan te bewijzen omdat we alen maar de effecten hiervan op meer conventionele objecten zoals sterrenstelsels, kunnen zien.

In 2017 vonden astronomen twee enorme sterrenstelsels uit de begintijd van het heelal die waren ontstaan in een zee van donkere materie. Astronomen vragen zich af of de enorme grootte van deze sterrenstelsels komt doordat ze in de tijd zijn gegroeid of dat andere processen hier voor verantwoordelijk zijn. Slechts een paar maanden na de ontdekking vonden astronomen ook een groep sterrenstelsels die om elkaar heen draaiden in een patroon dat mogelijk verklaard kan worden door donkere materie.

Maar in 2018 daagde een groep astronomen de donkere materietheorie uit toen ze een sterrenstelsel ontdekten dat NGC 1052-DF2 wordt genoemd dat ongeveer 400 * minder donkere materie bevat dan modellen voorspellen voor een object van deze grootte. De resultaten van dit onderzoek zijn echter controversieel en er wordt door onderzoekers nog steeds over gediscussieerd.

Steeds beter wordende technieken hebben er voor gezorgd dat astronomen sterrenstelsels kunnen zien die voorheen veel te zwak waren en ze kunnen door de technologische vooruitgang ook steeds meer leren over de grootte, vorm en evolutie van sterrenstelsels. In 2017 ontdekte het MUSE-instrument (Multi Unit Spectroscopic Explorer) gekoppeld aan de Very Large Telescope van de ESO in Chili een groep van 72 sterrenstelsels die zo ongeveer voor onze neus lagen.

In 2018 werd op een opname van de Hubble Space Telescope ongeveer 15.000 sterrenstelsels ontdekt. Ook in 2018 werden er honderden sterrenstelsels ontdekt, verstopt achter een zwart gat dat voorheen er voor zorgde dat we ze niet konden zien.

relevante artikelen:

 

Eerste publicatie: 23 februari 2019