Vijf fascinerende Gaia-onthullingen over de Melkweg.

Met de twee releases van gegevens in september 2016 en april 2018 heeft Gaia de studie van de Melkweg echt radicaal gerevolutioneerd. Het luidde de gouden eeuw van de galactische archeologie in, een discipline die zoekt naar bewijs van vroegere galactische gebeurtenissen in de kenmerken en het gedrag van sterren en stellaire populaties die we vandaag de dag zien. Gaia onthult niet alleen details van de structuur van de Melkweg. De missie creëert een ontzagwekkende astronomische film die de evolutie van de Melkweg naar het verleden en de toekomst gedurende miljarden jaren reconstrueert. Hier zijn de vijf interessante ontdekkingen die Gaia heeft gedaan over de melkweg waar we deel van uitmaken.

1. De Melkweg is een galactische kannibaal

Astronomen vermoeden al sinds de jaren negentig dat de Melkweg is ontstaan uit botsingen tussen kleinere sterrenstelsels die in de miljarden jaren van zijn geschiedenis hadden plaatsgevonden. Telescopen op aarde, zoals de Sloan Digital Sky Survey, gaven de eerste hints van het gewelddadige verleden van het sterrenstelsel, maar pas in Gaia konden astronomen de processen die leidden tot de schepping van het heelal om ons heen echt deconstrueren.

In 2018 ontdekte een team van de Rijksuniversiteit Groningen, onder leiding van galactische archeologie-expert Amina Helmi, dat een groep van 30.000 sterren zich synchroon door de buurt van de zon beweegt in de tegenovergestelde richting van de rest van hun steekproef van zeven miljoen sterren.

Dit atypische bewegingspatroon kwam overeen met wat de wetenschappers eerder hadden waargenomen in computersimulaties die galactische botsingen en fusies modelleren.

Deze sterren vielen ook op in het zogenaamde Hertzsprung-Russell diagram, dat de kleur en helderheid van sterren vergelijkt, wat aangeeft dat ze afkomstig zijn van een andere stellaire populatie, dat wil zeggen, uit een ander sterrenstelsel.

“De verzameling sterren die we met Gaia vonden, heeft alle eigenschappen van wat je zou verwachten van het puin van een galactische fusie,” zegt Amina.

Verdere analyse bevestigde dat de sterren, die nu deel uitmaken van de zogenaamde binnenste halo van de Melkweg en de buitenste laag van de galactische schijf, afkomstig moeten zijn van een ander sterrenstelsel. Dit sterrenstelsel, dat de bijnaam Gaia-Enceladus heeft, moet zo’n 10 miljard jaar geleden in botsing zijn gekomen met de Melkweg. Ongeveer de grootte van één van de Magelhaense Wolken (twee satellietstelsels ruwweg tien keer kleiner dan de huidige grootte van de Melkweg), sloeg Gaia-Enceladus in en werd geleidelijk verslonden door de Melkweg, die op dat ogenblik slechts vier keer groter dan Gaia-Enceladus was. De botsing moet de Melkweg dan ook diep hebben geschud.

De gewelddadige geschiedenis van de Melkweg eindigde echter niet met Gaia-Enceladus. In 2019 ontdekten astronomen in de Gaia-gegevens een handtekening van een nieuwe botsing met een kleiner sterrenstelsel, sindsdien bijgenaamd Sequoia, dat niet lang na Gaia-Enceladus de galactische schijf van de Melkweg had geraakt.

2. Sterren vormen zich in de Melkweg als gevolg van een galactische crash

Gaia heeft ook licht geworpen op de interacties met het dwergstelsel Boogschutter, dat al miljarden jaren rond de kern van de Melkweg cirkelt.

Ontdekt in de jaren 1990, Boogschutter bevat slechts enkele tientallen miljoenen sterren (in vergelijking met de Melkweg honderden miljarden), waardoor het 10 000 keer minder massief dan de Melkweg. Toen de zwaartekracht van de Melkweg Boogschutter dichterbij trok, begon het kleinere sterrenstelsel door de schijf van de Melkweg te breken. Dat gebeurde minstens drie keer in het verleden: zo’n vijf of zes miljard jaar geleden, twee miljard jaar geleden en een miljard jaar geleden. Bij elke botsing ontdaan van de Melkweg sterren van Boogschutter, waardoor het dwergstelsel kleiner en kleiner. Uiteindelijk zal Boogschutter volledig worden verslonden door de Melkweg. Toch heeft de dwerg een diepgaand effect op zijn grotere kannibaal.

Het misschien wel meest merkwaardige aspect van Boogschutter’ interactie met de Melkweg werd beschreven in een paper gepubliceerd in het voorjaar van 2020. Een team van onderzoekers van het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) in Tenerife, Spanje, vond dat in de nasleep van elke Sagittarius ‘crash door de Schijf van de Melkweg, sterren vorming in de melkweg versneld. In feite viel een van die periodes ongeveer samen met de vorming van de zon en het zonnestelsel zo’n 4,7 miljard jaar geleden.

De onderzoekers geloven dat elke botsing rimpelingen veroorzaakte in het interstellaire medium, als een rots die in het water wordt gegooid. Als gevolg hiervan steeg de concentratie van gas en stof in sommige delen van de Melkweg tot het niveau dat stervorming veroorzaakte.

“Na een eerste gewelddadige tijdperk van stervorming, deels veroorzaakt door een eerdere fusie, had de Melkweg een evenwichtige staat bereikt waarin sterren zich gestaag vormden,” zegt Tomás Ruiz-Lara, de hoofdauteur van de studie. “De melkweg was relatief rustig. Plotseling viel Boogschutter erin en verstoorde het evenwicht, waardoor al het voorheen nog gas en stof in het grotere sterrenstelsel als rimpelingen in het water klotst.”

Het onderzoek bouwt voort op een 2019-studie door een team van de Universiteit van Barcelona, Spanje, dat de ware grootte en helderheid berekende van miljoenen sterren die Gaia waargenomen heeft. Uit de informatie over de grootte en helderheid konden astronomen de leeftijd van individuele sterren afleiden. De studie concludeerde dat de stervorming in de Melkweg was gedaald sinds de vorming ervan tot ongeveer vijf miljard jaar geleden, toen het plotseling opvoerde.

Tot de helft van de totale massa van alle sterren ooit gemaakt in dunne schijf van de Melkweg, die de meeste van de sterren van de Melkweg bevat, werd geproduceerd tijdens deze periode.

Het lijkt er nu op dat zonder de ondergang van het relatief kleine Boogschutter dwergstelsel, de Melkweg er vandaag heel anders uit zou hebben gezien en veel minder sterren zou hebben gehad.

“Dit is echt de eerste keer dat we een gedetailleerde stervorming geschiedenis van de Melkweg te zien,” zegt ESA Gaia missie project wetenschapper Timo Prusti. “Het is een bewijs van de wetenschappelijke kracht van Gaia die we steeds weer hebben zien manifesteren in talloze baanbrekende studies in een periode van slechts een paar jaar.”

3. De armen en schijf van de Melkweg leven

Vóór Gaia waren astronomen beperkt in hun pogingen om de structuur van de Melkweg te bestuderen. Ze wisten dat de Melkweg een zogenaamd spiraalstelsel was – een pannenkoekachtige schijf van sterren met een patroon van spiraalarmen die rond een veel dichtere kern draaien.

De spiraalarmen zijn gebieden van dicht verpakt gas en stellaire materie die, wanneer waargenomen in andere sterrenstelsels, in blauwere tinten dan de rest van de schijf, die de warmere temperatuur van de sterren in hen aangeeft. Omdat hete sterren zijn massieve sterren en omdat massieve sterren zijn jonge sterren, astronomen kunnen vertellen dat spiraalarmen zijn gebieden waar sterren worden gevormd.

“Voor Gaia wisten we niet of er twee of vier spiraalarmen in de Melkweg waren”, zegt Sergej Khoperskov, astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Duitsland. “Nu hebben we duidelijk bewijs dat het er vier zijn. Met Gaia kunnen we de afstand tot de sterren meten en zien waar ze dichter bij elkaar zitten, wat een indicatie is van een spiraalarm.”

De zon bevindt zich in een van de twee kleinere armen, genaamd de Orion arm, ongeveer 26 000 lichtjaar verwijderd van het centrum van de Melkweg, de voltooiing van een rotatie rond het centrum in ongeveer 230 miljoen jaar.

In een paper gepubliceerd in januari 2020 keken Sergey en zijn collega’s naar patronen in de dichtheid van sterren in de Melkweg en vergeleken die met eerder beschikbare informatie.

“We hebben verschillende gebieden met stellaire overdensities geïdentificeerd en die vergeleken met de eerder bekende locatie van de spiraalarmen van de Melkweg,” zegt Sergey. “Ik denk dat het voor het eerst in de literatuur is dat we stellaire overdroeven in zo’n grote schaal vonden, in de regio van ongeveer 10 tot 13 duizend lichtjaar van de zon. Dit is het grootste beeld van de spiraalarmen van de Melkweg, direct gebaseerd op de observatie van sterren.”

De aard van de spiraalstructuur in sterrenstelsels zoals de Melkweg is een kwestie van discussie sinds de eerste hints werden in kaart gebracht door Jan Oort met behulp van radiogolf waarnemingen in de jaren 1950.

“Er zijn verschillende theorieën voor spiraalarmstructuurvorming”, zegt Sergey. “Veel astronomen geloven dat spiraalarmen van korte duur zijn, veroorzaakt door een soort gravitatieinstabiliteit en dat ze binnen een paar rotaties verdwijnen en dan opnieuw opduiken met een ander patroon.”

“Zodra we individuele sterren in de spiraalarmen identificeren, zullen we in staat zijn om de oorsprong te begrijpen,” voegt Sergey eraan toe. “Omdat we de structuur kennen, kennen we de positie, kennen we de verdeling, kunnen we kijken naar de chemische samenstellingspatronen en kunnen we proberen al die informatie beter te begrijpen.”

Volgens ESA Gaia-projectwetenschapper Jos de Bruijne bevatten spiraalarmen niet dezelfde sterren in hun miljardenbestaan. Hij beschrijft spiraalarmen zoals files, gebieden waar sterren zich concentreren terwijl ze wachten om door een soort knelpunt te knijpen.

 Sterren bewegen aan de voorkant, maar de file blijft omdat de sterren zich aan de achterkant opstapelen”, zegt hij. “We weten nog steeds niet precies waarom deze files ontstaan en ik ben ervan overtuigd dat Gaia hier licht op zal werpen.”

Naast deze belangrijkste structuren, onderzoek op basis van Gaia gegevens heeft aangetoond dat de hele schijf van de melkweg is levend en bewegen op vele verschillende manieren en richtingen als gevolg van de verschillende krachten die handelen in de melkweg. De Melkweg wordt voortdurend verstoord door andere lichamen, dwergstelsels en stellaire clusters, die eromheen draaien. Deze interacties laten blijvende afdrukken achter op de Melkweg, die honderden miljoenen jaren later kan worden waargenomen. Zo vond een team van de Universiteit van Barcelona in 2018 een groep van miljoenen sterren die een slakvormpositie en bewegingspatroon volgden in de schijf van de Melkweg. Hun berekeningen toonden aan dat deze rimpel waarschijnlijk het gevolg was van een van de eerdere botsingen met het Sagittarius dwergstelsel.

De periodieke botsingen met Boogschutter worden verondersteld om een diepgaand effect op te hebben gehad hoe de sterren zich in de Melkweg bewegen. Sommigen beweren zelfs dat de 10 000 keer meer massieve Melkweg handelsmerk spiraalstructuur zou een gevolg van de crashes met Boogschutter.

4. De Melkweg stript en vangt sterren van andere sterrenstelsels en clusters

De Melkweg is ook voortdurend strippen sterren uit dwergsterrenstelsels en stellaire clusters waarmee het interageert. Op basis van Gaia-gegevens hebben astronomen stromen van sterren geïdentificeerd die uit deze lichamen zijn gerukt en die zich vaak uitstrekken over afstanden van duizenden lichtjaren, die een groot deel van de hemel boven ons hoofd bedekken.

Gegevens over dergelijke stromen kunnen astronomen helpen bij het beoordelen van de zwaartekracht en dus de massaverdeling van de Melkweg en zo onthullen hoe sterrenstelsels sterren verwerven.

Gaia heeft ook sterren gevonden in de schijf van de Melkweg die reizen met zulke hoge snelheden dat ze misschien in staat zijn om de melkweg zwaartekracht te ontsnappen of zou kunnen zijn verdreven uit andere sterrenstelsels en vervolgens gevangen genomen door de Melkweg.

“Van de zeven miljoen Gaia-sterren met volledige 3D-snelheidsmetingen, vonden we er twintig die snel genoeg konden reizen om uiteindelijk uit de Melkweg te ontsnappen”, vertelt Elena Maria Rossi van de Universiteit Leiden, een van de auteurs van een recente studie. “Maar in plaats van weg te vliegen van het galactische centrum, de meeste van de hoge snelheid sterren die we zagen lijken te racen naar het.”

Het is mogelijk dat deze intergalactische interlopers afkomstig zijn van de Grote Magelhaense Wolk, een relatief klein sterrenstelsel dat om de Melkweg draait, of ze kunnen afkomstig zijn uit een sterrenstelsel nog verder weg.

“Sterren kunnen worden versneld tot hoge snelheden wanneer ze interageren met een superzwaar zwart gat,” elena legt uit. “De aanwezigheid van deze sterren kan een teken zijn van zulke zwarte gaten in nabijgelegen sterrenstelsels. Maar de sterren kunnen ook ooit deel hebben uitgemaakt van een dubbelsterrensysteem in een ander sterrenstelsel, naar de Melkweg geslingerd toen hun metgezel ster explodeerde als een supernova.”

Als deze sterren uit andere sterrenstelsels komen, zouden ze de afdruk van hun plaats van herkomst dragen. Ze zouden uniek inzicht kunnen geven in verre universa die anders veel moeilijker te bestuderen zouden zijn.

De astronomen geven echter toe dat deze sprintsterren inheems kunnen zijn in de halo van onze Melkweg, versneld en naar binnen geduwd door interacties met een van de dwergsterrenstelsels die tijdens de opbouwgeschiedenis naar de Melkweg vielen. Aanvullende informatie over de leeftijd en samenstelling van de sterren kan de astronomen helpen hun oorsprong te verduidelijken.

“Een ster uit de Melkweg halo is waarschijnlijk vrij oud en meestal gemaakt van waterstof, terwijl sterren uit andere sterrenstelsels kunnen bevatten veel zwaardere elementen,” zegt co-auteur van de studie Tommaso Marchetti. “Kijkend naar de kleuren van sterren vertelt ons meer over wat ze zijn gemaakt van.”

5. De Zon surft op een mysterieuze golf van gas in de Melkweg

In 2019 ontdekten drie wetenschappers verbonden aan het Radcliffe Institute for Advanced Studies van Harvard University dat interstellaire gaswolken in de galactische buurt van de zon een 9000 lichtjaar lange golf vormen die ongeveer 500 lichtjaren boven en onder de galactische schijf golven. De 400 lichtjaar brede golf maakt deel uit van wat astronomen omschrijven als de Local Arm, een kleine spiraalarm van de Melkweg dicht bij de zon.

Interstellaire gaswolken interesseren onderzoekers omdat ze sterren baren als ze instorten. Voorafgaand aan de ontdekking van 2019 werd aangenomen dat dergelijke wolken in de zonnebuurt geconcentreerd zijn in de zogenaamde Gould Belt, een ring van jonge sterren, gas en stof die boven en onder het galactische vlak bogen.

“In plaats daarvan hebben we de grootste coherente gasstructuur waar we van weten in de melkweg, niet georganiseerd in een ring, maar in een enorme, golvende, smalle en rechte gloeidraad,” zegt João Alves, een hoogleraar Stellar Astrofysica aan de Universiteit van Wenen, een Radcliffe-fellow 2018-2019, en een van de drie wetenschappers die de structuur ontdekten, nu de Radcliffe Wave , na het Radcliffe Instituut.

De zon ligt slechts 500 lichtjaar van de golf op zijn dichtstbijzijnde en bijna lijkt alsof het surfen. In feite, volgens de bestaande modellen, de zon stak de golf slechts ongeveer 13 miljoen jaar geleden en zal het opnieuw en opnieuw in de toekomst.

“De golf is recht voor onze ogen de hele tijd, maar we konden het niet zien tot nu toe,” João voegt.

Alyssa Goodman, hoogleraar toegepaste astronomie en co-directeur van het Science Program aan het Radcliffe Institute of Advanced Study, zegt: “We waren volledig geschokt toen we ons voor het eerst realiseerden hoe lang en recht de Radcliffe Wave is als je er van bovenaf in 3D op neerkijkt, maar ook hoe sinusoïdaal het is als we vanaf de aarde bekeken worden. Het bestaan van de Golf dwingt ons om ons begrip van de 3D-structuur van de Melkweg te heroverwegen.”

De wetenschappers weten niet wat deze onverwachte, golvende vorm heeft veroorzaakt. Een eerdere botsing met een enorm lichaam, bijvoorbeeld een dwergstelsel, zou een mogelijke verklaring kunnen zijn, maar verdere studies en meer Gaia-gegevens zijn nodig om echt een goed begrip te krijgen.

In ieder geval dagen de bevindingen astronomen uit om theorieën over de verdeling van gas in de buurt van de zon te herzien.


Gepubliceerd op:

ESA.int

Geef een reactie