Categorieën
Astronomie Het Heelal

De nieuwe geschiedenis van de Melkweg.

Een groot Melkwegachtig sterrenstelsel botst met een kleiner dwergstelsel in deze digitale simulatie. Astronomen geloven dat er in het begin van de ontwikkeling van de Melkweg minstens één grote botsing als deze heeft plaatsgevonden.

Toen de Khoisan-jager-verzamelaars van Afrika bezuiden de Sahara naar het meanderende spoor van sterren en stof staarden dat de nachtelijke hemel splijt, zagen ze de sintels van een kampvuur. Polynesische zeelieden zagen een wolkenetende haai. De oude Grieken zagen een stroom melk, gala , die uiteindelijk zou leiden tot de moderne term ‘melkweg’.

In de 20e eeuw ontdekten astronomen dat onze zilveren rivier slechts een deel is van een enorm eiland van sterren, en ze schreven hun eigen galactische oorsprongsverhaal. In de eenvoudigste vertelling was het van mening dat ons Melkwegstelsel bijna 14 miljard jaar geleden samenkwam toen enorme wolken van gas en stof samenvloeiden onder invloed van de zwaartekracht. In de loop van de tijd ontstonden er twee structuren: eerst een enorme bolvormige ‘halo’ en later een dichte, heldere schijf. Miljarden jaren daarna draaide ons eigen zonnestelsel binnen in deze schijf tot leven, zodat we als we ’s nachts naar buiten kijken gemorste melk zien – een scherp beeld van de schijf die door de lucht spatte.

Maar in de afgelopen twee jaar hebben onderzoekers bijna elk belangrijk hoofdstuk van de geschiedenis van het sterrenstelsel herschreven. Wat is er gebeurd? Ze hebben betere gegevens.

Op 25 april 2018 bracht een Europees ruimtevaartuig met de naam Gaiaeen duizelingwekkende hoeveelheid informatie over de lucht vrij. Cruciaal is dat Gaia’s jarenlange dataset de gedetailleerde bewegingen van ongeveer 1 miljard sterren beschrijft. Eerdere onderzoeken hadden de beweging van slechts duizenden in kaart gebracht. De gegevens brachten een voorheen statische strook van de melkweg tot leven. “Gaia begon een nieuwe revolutie”, zei   Federico Sestito , een astronoom bij het Astronomisch Observatorium van Straatsburg in Frankrijk.

Astronomen haastten zich om de dynamische sterrenkaart te downloaden, en er volgde een reeks ontdekkingen. Ze ontdekten dat delen van de schijf bijvoorbeeld onmogelijk oud leken. Ze vonden ook bewijs van epische botsingen die de gewelddadige jeugd van de Melkweg vormden, evenals nieuwe tekenen dat de melkweg op een onverwachte manier blijft karnen.

De Gaia-satelliet heeft ons begrip van de Melkweg radicaal veranderd sinds de lancering in december 2013.

Alles bij elkaar hebben deze resultaten een nieuw verhaal opgeleverd over het turbulente verleden van ons melkwegstelsel en zijn steeds evoluerende toekomst. “Ons beeld van de Melkweg is zo snel veranderd”, zegt Michael Petersen , een astronoom aan de Universiteit van Edinburgh. “Het thema is dat de Melkweg geen statisch object is. Overal veranderen de dingen snel. “

De vroegste sterren

Om terug te kijken naar de vroegste dagen van de melkweg, zoeken astronomen naar sterren die er toen waren. Deze sterren zijn alleen gemaakt van waterstof en helium, de grondstoffen van de kosmos. Gelukkig branden de kleinere sterren uit deze vroege voorraad ook traag, zodat er nog vele schijnen.

Na tientallen jaren van onderzoek hadden onderzoekers een catalogus samengesteld van 42 van dergelijke ouden, bekend als ultrametaalarme sterren (voor astronomen kwalificeert elk atoom dat groter is dan helium als metaalachtig). Volgens het standaardverhaal van de Melkweg zouden deze sterren door de halo moeten zwermen, het eerste deel van de melkweg dat zich vormt. Daarentegen zouden sterren in de schijf – waarvan men dacht dat het misschien een extra miljard jaar nodig had om zichzelf plat te draaien – vervuild zijn met deinende elementen zoals koolstof en zuurstof.

Samuel Velasco / Quanta Magazine

Eind 2017 begon Sestito te bestuderen hoe deze metaalarme zwerm beweegt door code te schrijven om de komende Gaia-resultaten te analyseren. Misschien konden hun bolvormige paden enkele aanwijzingen geven over hoe de halo tot stand kwam, dacht hij.

In de dagen na het vrijgeven van gegevens door Gaia haalde hij de 42 oude sterren uit de volledige gegevensset en volgde hun bewegingen. Hij ontdekte dat de meesten door de halo stroomden, zoals voorspeld. Maar sommigen – ongeveer 1 op de 4 – waren dat niet. In plaats daarvan verscheen ze vast in de schijf , de jongste regio van de Melkweg. ‘Wat maakt het uit,’ vroeg Sestito zich af, hoewel hij een andere term van vier letters gebruikte. “Wat gebeurd er?”

Vervolgonderzoek bevestigde dat de sterren echt langetermijnbewoners van de schijf zijn, en niet alleen toeristen die passeren. Uit twee recente onderzoeken hebben Sestito en collega’s een bibliotheek verzameld met ongeveer 5.000 metaalarme sterren. Een paar honderd van hen lijken permanente bewoners van de schijf te zijn . Een andere groep zocht ongeveer 500 sterren die door een ander onderzoek waren geïdentificeerd en ontdekte dat ongeveer 1 op de 10 van deze sterren plat in cirkelvormige, op de zon lijkende banen ligt . En een derde onderzoeksgroep vond sterren van verschillende metalliciteiten (en dus verschillende leeftijden) die in vlakke schijfbanen bewogen . “Dit is iets totaal nieuws”, zei hoofdauteur Paola Di Matteo, een astronoom bij het Observatorium van Parijs.

Hoe zijn deze anachronismen daar gekomen? Sestito speculeerde dat misschien zakken met ongerept gas erin slaagden om alle metalen die uit supernova’s werden verdreven eeuwenlang te ontwijken, en vervolgens instortten om sterren te vormen die er bedrieglijk oud uitzagen. Of misschien begon de schijf vorm te krijgen toen de halo dat deed, bijna 1 miljard jaar eerder dan gepland.

Om te zien wat waarschijnlijker was, legde hij contact met Tobias Buck, een onderzoeker aan het Leibniz Instituut voor Astrofysica in Potsdam, Duitsland, die gespecialiseerd is in het maken van digitale melkwegsimulaties. Eerdere pogingen hadden over het algemeen halo’s als eerste en schijven als tweede geproduceerd, zoals verwacht. Maar dit waren inspanningen met een relatief lage resolutie.

Buck vergrootte de scherpte van zijn simulaties met ongeveer een factor 10. Bij die resolutie vergde elke run intensieve rekenkracht. Hoewel hij toegang had tot het Duitse Leibniz Supercomputing Center, kostte een enkele simulatie drie maanden rekentijd. Hij herhaalde de oefening zes keer.

Van die zes produceerden er vijf Melkwegdoppelgängers. Twee daarvan hadden een aanzienlijk aantal metaalarme schijfsterren.

Hoe kwamen die oude sterren in de schijf? Simpel gezegd, het waren geweldige immigranten. Sommigen van hen zijn geboren in wolken die dateren van vóór de Melkweg. Toen stortten de wolken toevallig enkele van hun sterren in banen die uiteindelijk deel zouden uitmaken van de galactische schijf. Andere sterren kwamen van kleine “dwergstelsels” die in de Melkweg sloegen en uitgelijnd waren met een opkomende schijf.

De resultaten, die de groep in november publiceerde , suggereren dat de klassieke modellen voor de vorming van melkwegstelsels onvolledig waren. Gaswolken vallen, zoals verwacht, ineen tot bolvormige halo’s. Maar sterren die precies onder de juiste hoeken aankomen, kunnen tegelijkertijd een schijf een kickstart geven. ‘[Theoretici] hadden het niet mis,’ zei Buck. “Ze misten een deel van de foto.”

Een gewelddadige jeugd

De complicaties houden daar niet op. Met Gaia hebben astronomen direct bewijs gevonden van cataclysmische botsingen. Astronomen gingen ervan uit dat de Melkweg een hectische jeugd had, maar Helmer Koppelman , een astronoom die nu werkzaam is bij het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, gebruikte de gegevens van Gaia om specifiek puin van een van de grootste fusies op te sporen.

De dataversie van Gaia in 2018 viel op een woensdag, en de gekke haast om de catalogus te downloaden bevroor de website, herinnerde Koppelman zich. Hij verwerkte de gegevens op donderdag en op vrijdag wist hij dat hij iets groots van plan was. In alle richtingen zag hij een enorm aantal halo-sterren op dezelfde eigenaardige manier heen en weer pingpen in het centrum van de Melkweg – een aanwijzing dat ze afkomstig waren van een enkel dwergstelsel. Koppelman en zijn collega’s hadden zondag een korte paper klaarliggen en volgden die in juni met een meer gedetailleerde analyse .

Het galactische wrak was overal. Misschien was de helft van alle sterren in de binnenste 60.000 lichtjaar van de halo (die honderdduizenden lichtjaren in alle richtingen uitstrekt) afkomstig van deze eenzame botsing, die de massa van de jonge Melkweg met wel 10 %. “Dit is een gamechanger voor mij”, zei Koppelman. “Ik verwachtte veel verschillende kleinere objecten.”

Een simulatie toont de vorming en evolutie van een Melkwegachtig sterrenstelsel gedurende ongeveer 10 miljard jaar. 
Veel kleinere dwergstelsels groeien aan op het hoofdstelsel en worden er vaak een deel van.

De groep noemde het inkomende sterrenstelsel Gaia-Enceladus, naar de Griekse godin Gaia – een van de oorspronkelijke godheden – en haar Titan-zoon Enceladus. Een ander team van de Universiteit van Cambridge ontdekte onafhankelijk de melkweg rond dezelfde tijd en noemde het de worst vanwege zijn verschijning in bepaalde orbitale kaarten.

Toen de Melkweg en Gaia-Enceladus met elkaar in botsing kwamen, misschien 10 miljard jaar geleden, kan de gevoelige schijf van de Melkweg grote schade hebben opgelopen. Astronomen debatteren waarom onze galactische schijf uit twee delen lijkt te bestaan: een dunne schijf en een dikkere waar sterren op en neer bewegen terwijl ze in een baan om het galactische centrum cirkelen. Onderzoek onder leiding van Di Matteo suggereert nu dat Gaia-Enceladus een groot deel van de schijf heeft geëxplodeerd en deze tijdens de botsing heeft opgeblazen. “De eerste oude schijf vormde zich vrij snel, en toen denken we dat Gaia-Enceladus hem heeft vernietigd,” zei Koppelman.

Hints van extra fusies zijn waargenomen in bundels sterren die bekend staan ​​als bolvormige sterrenhopen. Diederik Kruijssen , een astronoom aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland, gebruikte simulaties van sterrenstelsels om een ​​neuraal netwerk te trainen om bolvormige sterrenhopen te onderzoeken. Hij liet het hun leeftijd, uiterlijk en baan bestuderen. Op basis van die gegevens zou het neurale netwerk de botsingen kunnen reconstrueren die de sterrenstelsels hebben samengesteld. Daarna liet hij het los op gegevens van de echte Melkweg. Het programma reconstrueerde bekende gebeurtenissen zoals Gaia-Enceladus, evenals een oudere, belangrijkere fusie die de groep Kraken heeft genoemd.

In augustus publiceerde de groep van Kruijssen een fusielijn van de Melkweg en de dwergstelsels die deze vormden. Ze voorspelden ook het bestaan ​​van 10 extra eerdere botsingen waarvan ze hopen dat ze zullen worden bevestigd met onafhankelijke waarnemingen. “We hebben de andere 10 nog niet gevonden”, zei Kruijssen, “maar dat zullen we doen.”

Al deze fusies hebben ertoe geleid dat sommige astronomen suggereren dat de halo bijna uitsluitend bestaat uit immigrantensterren. Modellen uit de jaren zestig en zeventig voorspelden dat de meeste halo-sterren in de Melkweg zich op hun plaats hadden moeten vormen. Maar aangezien steeds meer sterren worden geïdentificeerd als galactische indringers, hoeven astronomen er misschien niet van uit te gaan dat veel sterren inheems zijn, zei Di Matteo.

Een nog steeds groeiende melkweg

De Melkweg heeft de afgelopen eonen een relatief rustige geschiedenis gekend, maar nieuwkomers blijven binnenstromen. Sterrenkijkers op het zuidelijk halfrond kunnen met het blote oog een paar dwergstelsels zien die de Grote en Kleine Magelhaense Wolken worden genoemd. Astronomen dachten lang dat het paar onze standvastige metgezellen was in een baan om de aarde, zoals de manen van de Melkweg.

Toen ontdekte een reeks waarnemingen van de Hubble-ruimtetelescoop tussen 2006 en 2013 dat ze meer op inkomende meteorieten leken. Nitya Kallivayalil , een astronoom aan de Universiteit van Virginia, klokte de hete wolken met ongeveer 330 kilometer per seconde – bijna twee keer zo snel als was voorspeld.

De Grote en Kleine Magelhaense Wolken rijzen op boven de Bromo, een actieve vulkaan in het Bromo Semeru Tengger National Park in Java, Indonesië.

Toen een team onder leiding van Jorge Peñarrubia , een astronoom bij de Royal Observatory of Edinburgh, de cijfers een paar jaar later verwerkte, concludeerden ze dat de snelle wolken extreem fors moesten zijn – misschien wel tien keer zo groot als eerder werd gedacht.

‘Het is verrassing na verrassing geweest,’ zei Peñarrubia.

Verschillende groepen hebben voorspeld dat de onverwacht vlezige dwergen delen van de Melkweg zouden kunnen slepen, en dit jaar werkte Peñarrubia samen met Petersen om bewijs te vinden.

Het probleem met het zoeken naar bewegingen in het hele melkwegstelsel is dat de Melkweg een razende sneeuwstorm van sterren is, met astronomen die naar buiten kijken vanaf een van de sneeuwvlokken. Dus Peñarrubia en Petersen besteedden het grootste deel van de lockdown aan het uitzoeken hoe ze de bewegingen van de aarde en de zon konden neutraliseren, en hoe ze de beweging van halo-sterren konden berekenen, zodat de buitenrand van de halo als een stationaire achtergrond kon dienen.

Toen ze de gegevens op deze manier kalibreerden, ontdekten ze dat de aarde, de zon en de rest van de schijf waarin ze zitten in één richting slingeren – niet naar de huidige positie van de Grote Magelhaense Wolk, maar naar zijn positie rond een miljard jaar geleden (de melkweg is een logge beest met langzame reflexen, legde Petersen uit). Ze hebben hun bevindingen onlangs beschreven in Nature Astronomy .

Het schuiven van de schijf tegen de halo ondermijnt een fundamentele aanname: dat de Melkweg een object in balans is. Het kan ronddraaien en door de ruimte glippen, maar de meeste astronomen gingen ervan uit dat na miljarden jaren de volwassen schijf en de halo zich in een stabiele configuratie hadden gevestigd.

Toen een team onder leiding van Jorge Peñarrubia , een astronoom bij de Royal Observatory of Edinburgh, de cijfers een paar jaar later verwerkte, concludeerden ze dat de snelle wolken extreem fors moesten zijn – misschien wel tien keer zo groot als eerder werd gedacht.

‘Het is verrassing na verrassing geweest,’ zei Peñarrubia.

Verschillende groepen hebben voorspeld dat de onverwacht vlezige dwergen delen van de Melkweg zouden kunnen slepen, en dit jaar werkte Peñarrubia samen met Petersen om bewijs te vinden.

Het probleem met het zoeken naar bewegingen in het hele melkwegstelsel is dat de Melkweg een razende sneeuwstorm van sterren is, met astronomen die naar buiten kijken vanaf een van de sneeuwvlokken. Dus Peñarrubia en Petersen besteedden het grootste deel van de lockdown aan het uitzoeken hoe ze de bewegingen van de aarde en de zon konden neutraliseren, en hoe ze de beweging van halo-sterren konden berekenen, zodat de buitenrand van de halo als een stationaire achtergrond kon dienen.

Toen ze de gegevens op deze manier kalibreerden, ontdekten ze dat de aarde, de zon en de rest van de schijf waarin ze zitten in één richting slingeren – niet naar de huidige positie van de Grote Magelhaense Wolk, maar naar zijn positie rond een miljard jaar geleden (de melkweg is een logge beest met langzame reflexen, legde Petersen uit). Ze hebben hun bevindingen onlangs beschreven in Nature Astronomy .

Het schuiven van de schijf tegen de halo ondermijnt een fundamentele aanname: dat de Melkweg een object in balans is. Het kan ronddraaien en door de ruimte glippen, maar de meeste astronomen gingen ervan uit dat na miljarden jaren de volwassen schijf en de halo zich in een stabiele configuratie hadden gevestigd.

De analyse van Peñarrubia en Petersen toont aan dat deze veronderstelling onjuist is. Zelfs na 14 miljard jaar blijven fusies de algehele vorm van de melkweg vormgeven. Dit besef is slechts de laatste verandering in hoe we de grote stroom melk langs de hemel begrijpen.

“Alles wat we dachten te weten over de toekomst en de geschiedenis van de Melkweg”, zei Petersen, “we hebben een nieuw model nodig om dat te beschrijven.”

VERWANT:


  1. Astronomen vinden zwarte gaten die de grootste melkwegstelsels opwekken
  2. Een nieuwe kosmische spanning: het universum is misschien te dun
  3. Astronomen kruipen naar de rand van het zwarte gat van de Melkweg

Gepubliceerd op: Quantim Magazine

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.