melkweg

De Smith-wolk, hier in valse kleuren geprojecteerd over de sterrenhemel, botst met de Melkweg over 30 miljoen jaar.

Smith-wolk botst met 1,1 miljoen kilometer per uur op de Melkweg

Een enorme gaswolk van een miljoen zonsmassa’s davert met een ongekende snelheid op de Melkweg af. Wat zijn de gevolgen?

https://youtu.be/YGZVC11XOps

1,1 miljoen kilometer per uur is rond de 300 kilometer per seconde. Dat is fors: de ontsnappingssnelheid van de Aarde is ‘slechts’ 11,2 km per seconde, die van de Zon 617 km/s.
Anders uitgedrukt: deze wolk zou de afstand van de aarde tot de maan in een half uur afleggen, de afstand tot de zon in 6 dagen.  De wolk zou echter niet snel genoeg bewegen om aan de zon te ontsnappen.

Smith-wolk

Op galactische schaal is de snelheid niet erg groot. Pas over 30 miljoen jaar zal de gaswolk de Melkweg treffen. Het vermoedelijke gevolg is extra stervorming: als de gaswolk het galactische gas raakt, vormt zich een schokgolf. Binnen deze schokgolf wordt het gas zo dicht, dat er een kritische dichtheid wordt bereikt voor ineenstorting tot een ster met protoplanetaire schijf. Deze wolk brengt vermoedelijk dus eerder leven dan dood. De wolk is al bekend sinds de zestiger jaren als de Smith-wolk, naar de ontdekster Gail Bieger-Smith.

Dit object, hier in valse kleuren geprojecteerd over de sterrenhemel, botst met de Melkweg over 30 miljoen jaar.
Dit object, hier in valse kleuren geprojecteerd over de sterrenhemel, botst met de Melkweg over 30 miljoen jaar. – NASA

Toch zijn de astronomen er nog niet over  uit wat deze enorme wolk gas in beweging brengt. Wat het verschijnsel ook is, de schaal moet enorm zijn. Op dit moment denken de meeste astronomen, dat er 70 miljoen jaar geleden een bel met Melkweg-gas op sleeptouw is genomen d00r een onzichtbaar om de Melkweg draaiend object, bestaande uit donkere materie. Deze zal dus over 30 miljoen jaar weer terugkeren, met vermoedelijk het nodige kosmisch vuurwerk tot gevolg.

Meer informatie
NASA

Artist impression van een planeet met zicht op de botsing tussen Andromeda en de Melkweg, vier miljard jaar na nu.

Video: het einde van de Melkweg

Over ongeveer vier miljard jaar wordt onze Melkweg vernietigd. De reden: een catastrofale botsing met ons buurstelsel, de Andromedanevel. NASA stelde deze spectaculaire animatie samen, die de tijd biljoenen malen versnelt tot meer dan 100 miljoen jaar per seconde.

Is deze botsing een ramp? Sterrenstelsels bestaan voornamelijk uit lege ruimte. De dichtstbijzijnde ster, anders dan de zon, ligt op vier lichtjaar afstand van ons. Dat is 30 miljoen maal meer dan de doorsnede van een ster als de zon. Ter vergelijking: als de zon zo groot als een knikker zou zijn en zich hier in Nederland zou bevinden, zou de dichtstbijzijnde ster een knikker in de Alpen zijn. De kans op sterbotsingen is dus vrij klein.

Omdat er veel gas mee wordt gesleurd, zal er een nieuwe periode van stervorming beginnen, dus een nieuwe periode van leven. Wel betekent dit het einde van de stervorming op langere termijn. Wat resteert is namelijk een ellipsvorming sterrenstelsel, waar de koele gaswolken waaruit zich sterren vormen, bijna zijn verdwenen.

Artist impression van een planeet met zicht op de botsing tussen Andromeda en de Melkweg, vier miljard jaar na nu.
Artist impression van een planeet met zicht op de botsing tussen Andromeda en de Melkweg, vier miljard jaar na nu.
Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA

‘Andromedastelsel ramde tien miljard jaar geleden in Melkweg’

Astronomen zijn het er over eens dat over enkele miljarden jaren het Andromedastelsel de Melkweg zal raken. Volgens een groep Europese astronomen zal dat niet de eerste keer zijn. Wel veronderstelt hun theoretische model dat Einstein er over zeer grote afstanden naast zit…

MOND
Modified Newtonian Dynamics (MOND), waar de onderzoekers gebruik van maakten, is door de Israelische kosmoloog Mordechai Milgrom ontwikkeld. MOND verondertelt dat op zeer grote afstanden zwaartekracht zoals we die kennen zich anders gedraagt dan door Newtons en Einsteins zwaartekrachtwetten wordt beschreven. Het gevolg is dat er geen donkere materie meer nodig is om te verklaren waarom sterren die ver van het centrum van een sterrenstelsel afstaan, veel sneller rond het centrum bewegen dan ze volgens de klassieke theorie mogen doen.

In het kort: de bekende vergelijking zwaartekracht=massa maal versnelling (F = m.a) wordt: F = m/μ(a/a0), waarbij a0  op aarde onwaarneembaar klein is: a0 ≈ 10−10 m/s2. Morrelen aan de bewegingsvergelijkingen van Newton en Einstein gaat niet ongestraft en het gevolg is dan ook dat fundamentele natuurkundige principes zoals behoud van impuls niet meer kloppen.

Op dit moment is er (door Milgrom en landgenoot Jakob Bekenstein, beter bekend van zijn werk aan de temperatuur van zwarte gaten) maar een werkende uitweg gevonden: AQUAL, een als lagrangiaan uitgedrukte versie van MOND. Een lagrangiaan is een erg handige wiskundig gereedschap. Deze uitdrukking van het dynamische gedrag van een systeem maakt rekenen aan complexe systemen als bijvoorbeeld een slinger aan een slinger veel eenvoudiger (of liever gezegd: praktisch uitvoerbaar). Met een lagrangiaan kan je namelijk zelf je coordinatenstelsel kiezen, zelfs een ingewikkeld bewegend coordinatenstelsel.

Botsing in het verre verleden
De Lokale Groep, onze familie van 36 sterrenstelsels, kent twee grote sterrenstelsels: onze Melkweg en de iets grotere Andromedanevel op ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar afstand. Het is al bekend dat over plm. 3,75 miljard jaar beide sterrenstelsels gaan botsen.  Uit nieuw onderzoek van een groep Europese astronomen blijkt nu echter dat de botsing al eerder plaats heeft gevonden, nl. plm. 10 miljard jaar geleden. Hierbij gaan ze uit van de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND, die geen donkere materie nodig heeft om het gedrag van melkwegstelsels te verklaren.

Zowel de Melkweg als Andromeda worden omringd door meerdere kleine dwergstelsels. Volgens de groep kan de eerdere botsing verklaren hoe de dwergstelsels zich hebben gevormd: bij het passeren werden grote stukken van de spiraalarmen van beide stelsels afgerukt. Hieruit vormden zich dan de dwergstelsels.

Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA
Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA

Lees ook
Bestaat donkere materie wel?
Gedrag melkwegstelsels niet te verklaren met donkere materie

Bron
Hongsheng Zhao et al., Local Group timing in Milgromian dynamics. A past Milky Way-Andromeda encounter at z>0.8, ArXiv preprint server, 2013

Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA

Zwerfsterren in intergalactische ruimte gevonden

Het zwaartekrachtsveld van de Melkweg is immens groot. Toch zijn er sterren die er in slagen om te ontkomen aan de greep van de Melkweg, wijst een nieuwe ontdekking uit. Zouden sterren van het ene sterrenstelsel naar het andere kunnen reizen?

Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA
Zo ziet het (waarschijnlijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg er vermoedelijk uit. Bron: NASA

Rode reuzen
Onderzoekers van de Amerikaanse Vanderbilt University hebben bijna zevenhonderd zwervende sterren ontdekt die uit de Melkweg lijken te zijn geslingerd. Toen deze sterren de krachtige slinger kregen die ze uit het Melkwegstelsel lanceerde, waren het kleine gele sterren zoals de zon. In de miljoenen jaren dat hun reis door de intergalactische ruimte duurde, zijn ze veranderd in rode reuzen, de fase aan het einde van het leven van een ster, waarin de ster sterk opzwelt en veel meer licht uitzendt.

Zeer ingewikkeld om zware ster uit Melkweg weg te schieten
Om een voorwerp zoals een ster uit de enorm diepe zwaartekrachtsput van de Melkweg weg te slingeren is een enorme snelheid nodig, rond de drie miljoen kilometer per uur. Dit is een paar tiende procent van de lichtsnelheid. Er zijn niet veel natuurlije processen bekend die een enorm object als een ster ter grootte van de zon deze snelheid te geven. De eenvoudigste verklaring is dat het immense zwarte gat in het centrum van de Melkweg hiervoor verantwoordelijk is. Tot nu tope hebben astronomen zestien van dergelijke “hypervelocity stars” gevonden. Hoewel ze snel genoeg reizen om uiteindelijk te ontsnappen aan de melkweg, zijn ze nog binnen de Melkweg aangetroffen. De groep astronomen melden in hun artikel dat ze een groep van meer dan 675 sterren aan de randen van de Melkweg hebben aangetroffen die, volgens hen, sterren met zeer hoge snelheid zijn die uit de kern van de Melkweg zijn weggeslingerd.

Hoog “metaal”gehalte wijst op oorsprong uit de kern
Ze selecteerden deze sterren gebaseerd op hun locatie in de intergalactische ruimte tussen de Melkweg en het Andromedastelsel  (de verst waargenomen ster bevindt zich op 2 miljoen lichtjaar, in de buurt van de afstand tot het Andromedastelsel) en door hun opmerkelijk rode kleur. Het zijn namelijk rode-reuzensterren met een ongebruikelijk hoog metaalgehalte (astronomen noemen alles zwaarder dan waterstof of helium een metaal), aldus assistent-hoogleraar Kelly Holley-Bockelmann, die het onderzoek verrichte met aio Lauren Palladino. Dit is een teken dat de ster afkomstig is uit het centrum van de Melkweg, waar veel “metaal”-rijke resten van al eerder geëxplodeerde sterren aanwezig zijn. Oudere sterren en sterren aan de randen van het Melkwegstelsel zijn in dit gebied doorgaans de eerste generatie en bestaan vrijwel geheel uit waterstof en helium. De onderzoekers identificeerden deze kandidaten door de miljoenen sterren die gecatalogiseerd zijn in de Sloan Digital Sky Survey te ziften. Wat weer het nut bewijst van saai werk, overigens.

Eerste keer op zoek naar sterren aan de zwerf
“We dachten dat deze zwerfsterren daadwerkelijk moesten bestaan, buiten de Melkweg, maar tot nu toe nam niemand de moeite om er actief naar te zoeken. Dus we besloten om een poging te wagen,” aldus Holley-Bockelmann, die het fourageergedrag van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg bestudeert. Volgens astronomen is het zwaartekrachtsveld van dit zwarte gat sterk genoeg om sterren met miljoenen kilometers per uur weg te schieten. Inderdaad weten we uit spectroscopische Dopplermetingen dat bijvoorbeeld de blauwe reuzenster ster S2, die rond het zwarte gat draait, een omloopsnelheid heeft van enkele procenten van de lichtsnelheid. Zo vreemd is de gedachte dus niet dat er af en toe een ster in de buurt komt van dit vier miljoen zonsmassa’s wegende monster en werkelijk een enorm sterke slinger richting intergalactische ruimte krijgt. Berekeningen wijzen dit ook uit.

Dubbelster of dodendans van zwart gat
Het meest voorkomende scenario houdt een dubbelster in die in wordt gevangen in het zwarte gat. Als één van de sterren wordt opgeslokt door het zwarte gat, krijgt de resterende ster alle impuls van het oorspronkelijke dubbelsterstelsel mee en wordt met een werkelijk titanische snelheid het Melkwegstelsel uit wordt geslingerd. In een tweede scenario wordt een ster gevangen in de dodendans van een kleiner zwart gat, dat wordt ingevangen door het centrale zwarte gat, bijvoorbeeld omdat een dwergsterrenstelsel wordt opgeslokt door de Melkweg. Elke ster die te dicht in de buurt komt van dit paar, krijgt ook een deel van de enorme impuls mee en wordt met een extreem hoge snelheid de Melkweg uit geslingerd. De sterren in Holley-Bockelmann’s groep zwervers moeten dus kleine sterren zoals de Zon zijn geweest die tijdens hun verre reis naar buiten, de Hoofdreeks bleven doorlopen tot ze door alle waterstof heen waren en opzwollen tot rode reuzen. Zelfs met hypersnelheid zou het een ster ongeveer tien miljoen jaar kosten (ongeveer 0,2% van de leeftijd van de zon) om vanaf het absolute centrum van de Melkweg naar de buitengewesten te reizen op 50 000 lichtjaar afstand. De verst verwijderde sterren op meer dan een miljoen lichtjaar afstand hebben bijna een miljard jaren gereisd.

Waarschijnlijk zijn er veel meer sterren die nog in de stabiele Hoofdreeksfase verkeren, of ondertussen al in een witte dwerg zijn veranderd, onderweg, maar deze zijn veel lastiger waar te nemen. Een rode reus zendt namelijk duizend tot tienduizend maal zoveel vermogen uit als een stabiele ster met dezelfde massa. Dat komt omdat de heliumfusie bij veel hogere temperatuur en veel sneller plaastvindt. Erg lang duurt deze fase dus niet, maar deze sterren zijn over veel grotere afstanden waarneembaar. Er is echter nog een mogelijkheid dat het hier om ongebruikelijk rode bruine dwergen gaat. Bruine dwergen zijn ‘mislukte’ sterren, die niet groot genoeg zijn voor waterstoffusie, alleen enige deuteriumfusie en nauwelijks licht uitzenden. Omdat bruine dwergen, zeker vergeleken met rode reuzen, echt  extreem lichtzwak zijn, moeten ze vele duizenden malen dichterbij staan om dit resultaat te verklaren.

Leven van ene sterrenstelsel naar andere?
In theorie zou het hiermee mogelijk zijn dat een planeet met levensvormen van de ene melkweg naar de andere reist. Een extreem compact planetenstelsel zoals dat om een rode dwergster, bijvoorbeeld een rode dwerg die een dubbelster vormt met een veel grotere ster, zou vermoedelijk de maltraitering door het zwarte gat kunnen overleven. Omdat de levensduur van rode dwergen extreem lang is, in de orde van duizenen miljarden jaren, zou hiermee het leven met gemak van de ene melkweg naar de andere verspreid kunnen worden. De inslag van een asteroïde zou vervolgens brokstukken met eencelligen verspreiden over de naburige sterren. Vergezocht? Mogelijk. Aan de andere kant: het heelal is groot, extreem groot en er zijn vijf tot tien keer zoveel rode dwergen als zonachtige sterren. Zien kunnen we ze op die afstand niet omdat ze veel lichtzwakker zijn dan de zon, laat staan de ontdekte rode reuzen. Wie weet is het nu op aarde tierende leven wel ontstaan in het centrum van een ander sterrenstelsel in de Lokale Groep en vervolgens via deze stellaire transportroute hier naartoe getransporteerd.

Bron:
Rogue stars ejected from the galaxy found in intergalactic space, Vanderbilt University (2012)
Lauren E. Palladino, Kelly Holley-Bockelmann et al., Identifying High Metallicity M Giants at Intragroup Distances with SDSS, ArXiv  preprint server (2012)

Video: zo vormde zich onze Melkweg

De Universiteit van Zürich zette deze spectaculaire animatie in elkaar die in grote lijnen laat zien hoe ons melkwegstelsel (en andere spiraalstelsels) zich uit de overblijfselen van de primordiale gaswolk vormden.

Het is ook duidelijk te zien waarom het leven zich relatief pas zo laat ontwikkelde: de omgeving in de eerste miljarden jaren was te chaotisch. Nog een interessant weetje: deze conmputersimulatie kostte acht maanden op een supercomputer. Ditzelfde programma op een standaard pc laten draaien zou naar schatting 570 jaar kosten.

De intergalactische waterstofsnelweg zou gebruikt kunnen worden door ramjets die van de ene melkweg naar de andere vliegen. Wel moeten deze ruimtevaartuigen beschermd worden tegen de dodelijke straling bij relativistische snelheden.

Navelstreng van donkere materie verbindt melkwegstelsels

Onderzoekers ontdekten bewijs voor een grote sliert materiaal die onze Melkweg verbindt met nabijgelegen groepen melkwegstelsels. Deze zijn weer verbonden met de rest van het heelal. De intergalactische snelweg?

De intergalactische waterstofsnelweg zou gebruikt kunnen worden door ramjets die van de ene melkweg naar de andere vliegen. Wel moeten deze ruimtevaartuigen beschermd worden tegen de dodelijke straling bij relativistische snelheden.
De intergalactische waterstofsnelweg zou gebruikt kunnen worden door ramjets die van de ene melkweg naar de andere vliegen. Wel moeten deze ruimtevaartuigen beschermd worden tegen de dodelijke straling bij relativistische snelheden.

Het team, waaronder Dr. Stefan Keller, Dr. Dougal Mackey en Professor Gary Da Costa van de Research School of Astronomy and Astrophysics van de Australian National University, publiceerde hun ontdekking in het oktobernummer van Astrophysical Journal.

De onderzoekers kwamen hier achter door de ‘wolk’ van bolvormige sterrenhopen die de Melkweg omringt te analyseren. Door exacte afstandsmetingen kwamen de onderzoekers er achter dat de sterrenhopen niet evenwichtig verspreid zijn, maar een plat vlak vormen.

Ook de dwergstelsels die als satellieten onze Melkweg omringen, denk aan de Grote en de Kleine Magelhaese Wolken, bevinden zich in hetzelfde vlak. In de opmerkelijk dichterlijke woorden van Keller:  “Wat we hebben ontdekt is bewijs voor de kosmische draad die ons verbindt met de uitgestrektheid van het universum. De draad van sterrenclusters en kleine melkwegstelsels rond de melkweg is te zien als de navelstring die de Melkweg voedde tijdens haar jeugd.”

Zoals al bekend, zijn er twee soorten materie in het heelal: de huis- tuin-  en keukenvariant waar wij uit bestaan en de raadselachtige donkere materie, die we alleen waar kunnen nemen door de immense zwaartekracht – er is naar schatting rond de vier keer zoveel donkere materie als zichtbare materie.

Een gevolg van de Big Bang en de overheersende invloed van donkere materie is dat “normale” materie als een soort schuim op de toppen van een golf, wordt meegesleurd door de donkere materie. Deze vormt enorme, onderling verbonden  vlakken en slierten. De structuur heeft al met al veel weg van een spons.

Daar stopt de overeenkomst. Zwaartekracht sleurt namelijk het materiaal over deze verbindende filamenten naar de grootste opeenhopingen van materie. De bevindingen van Keller en zijn team laten zien dat de bolvormige sterrenhopen en satellietstelsel van de Melkweg dit kosmische filament volgen.

Bolvormige sterhopen zijn sterrenstelsels die uit honderdduizenden zeer oude sterren bestaan, zeer compact opgesloten in een bal. In het beeld dat de drie onderzoekers schetsen, zijn de meeste van deze sterrenhopen de kernen van kleine sterrenstelsels die door zwaartekracht langs de filamenten zijn getrokken. Zodra de melkwegstelsels te dicht in de buurt van de Melkweg komen, worden de meeste sterren opgeslokt en blijft alleen de kern over. Aan wordt genomen dat ons Melkwegstelsel zijn huidige grootte heeft bereikt door honderden van deze dwergstelsels op te slokken.

De ‘navelstreng’ werd afgeknepen doordat enkele miljarden jaren geleden het heelal veel sneller begon uit te zetten. Astronomisch gesproken is ons melkwegstelsel stervende. De stervorming vindt nu veel langzamer plaats dan enkele miljarden jaren geleden, omdat de gasvoorraden in ons Melkwegstelsel voor het grootste deel leeg zijn. Weliswaar is er nog het nodige gas in de intergalactische leegte, maar er is geen systeem waardoor dit gas wordt geconcentreerd en naar ons melkwegstelsel wordt geleid. Misschien iets voor onze verre nazaten om te ontwikkelen.

Uiteraard maakt dit het raadsel nog groter. Wat is donkere materie, en hoe staat deze in relatie met de rest van het heelal? En, aangezien de kosmische uitzetting zich vooral lijkt te concentreren in de intergalactische leegtes, wat is het proces dat hier verantwoordelijk voor is?

Bron
Physorg.com

Kepler ontdekt exoplaneten als ze voor hun ster langstrekken. Voor een individuele planeet is die kans maar klein, maar Kepler houdt zoveel sterren tegelijkertijd in de gaten, dat er toch veel exoplaneten ontdekt worden.

‘Eenderde van alle zonachtige sterren heeft aardachtige planeten met vloeibaar water’

Astronomen hebben nu de kans berekend van het vinden van aardachtige planeten bij andere sterren, waarbij ze gebruik maakten van de laatste data van de Keplermissie.  De waarschijnlijkheid van minstens één planeet in de ‘bewoonbare zone’, het temperatuursgebied waarin de temperatuur van de planeet voldoende gematigd is om vloeibaar water mogelijk te maken, is, zoals het er nu naar uitziet, enorm groot: rond een derde. Goed nieuws dus voor toekomstige sterrenreizigers.

De planetenjagende satelliet Kepler is speciaal ontworpen om aardachtige planeten rond sterren op te sporen. Dit doet de satelliet door bij honderdduizenden sterren tegelijk te letten op periodieke afzwakkingen van het sterrenlicht. Dit betekent namelijk dat er een planeet voor de sterrenschijf langs trekt. Omdat de kans dat een planeet precies tussen de ster en de aarde in staat vrij klein is, ontdekt Kepler maar een kleine fractie van alle planeten.

Kepler ontdekt exoplaneten als ze voor hun ster langstrekken. Voor een individuele planeet is die kans maar klein, maar Kepler houdt zoveel sterren tegelijkertijd in de gaten, dat er toch veel exoplaneten ontdekt worden.
Kepler ontdekt exoplaneten als ze voor hun ster langstrekken. Voor een individuele planeet is die kans maar klein, maar Kepler houdt zoveel sterren tegelijkertijd in de gaten, dat er toch veel exoplaneten ontdekt worden.

Desondanks bleek de eerste 136 dagen van Kepler een ware goudmijn aan planeten op te leveren. In deze tijd bestudeerde Kepler ongeveer 150 000 sterren en vond bewijzen voor 1235 potentiële exoplaneten. Dat is een behoorlijk grote vangst, als je je realiseert dat de kans dat een exoplaneet op ongeveer de afstand van de aarde tot de zon, precies voor een zonachtige ster langs trekt, minder dan een procent is.

Sindsdien heeft het team astronomen van de Keplermissie en de teams waar ze mee samenwerken zich ook toegelegd op details van deze exoplaneten te weten proberen te komen. Het gaat hier om zoveel potentiële exoplaneten, dat ook statistische analyses mogelijk zijn. Daaruit zijn weer verschillende projecties te maken. Vandaag heeft Wesley Traub van het Californische Instituut voor Technologie in Pasadena de resultaten van precies zo’n studie bekend gemaakt. Traub heeft alleen naar de sterren gekeken die het meeste op de zon lijken, namelijk van spectraalklasses F, G en K. Onze zon is een G type ster. De stertypes O, B en A leven te kort om leven voort te kunnen brengen.

F-types zijn heter en zwaarder dan de zon, K-types iets lichter en koeler. Het meest voorkomende type ster, de rode M-dwergen, leeft zeer lang, maar exoplaneten moeten zo dicht bij dit sterretje staan om voldoende zonlicht te krijgen dat getijdeneffecten de planeet stilleggen, ongeveer zoals de maan nu ook altijd dezelfde kant naar de aarde wendt. Of dit het ontstaan van leven belemmert is overigens de vraag. Er zijn modellen bedacht waarbij dat niet zo is, bijvoorbeeld de oogbal aarde. Ook is de bewoonbare zone van M-dwergen zo smal dat de kans kleiner is dat precies hier een aardachtige planeet in rondzwerft.

De resultaten: aardachtige planeten komen evenveel voor rond zware F-sterren als rond lichte K-sterren. Wel zijn er rond lichte sterretjes veel minder kleine planeten waargenomen. Vrijwel zeker is dat volgens Traub omdat kleine planeten moeilijker te zien zijn voor Kepler. Dat geldt ook voor ons. Een overgang van de aardachtige Venus voor de zon langs is veel makkelijker waar te nemen dan van de veel kleinere Mercurius, die zo groot is als een wat uit de kluiten gewassen maan. Planeten vlak bij de ster hebben ook een veel grotere kans om voor de ster langs te bewegen. Een derde van alle planeten die Kepler vond zijn dan ook verschroeide Mercurius-achtige werelden met omlooptijden van minder dan 42 dagen.  Ter vergelijking: de weinig gastvrije Mercurius 88 dagen, wat dus duidt op totaal onleefbare geblakerde rotsblokken.

Spannender is natuurlijk de ontdekking van aardachtige werelden op grotere afstand van de ster, binnen de zone waarin vloeibaar water mogelijk is. De meeste van deze planeten bevinden zich te ver van hun ster af om al door Kepler opgepikt te worden. Hoe verder van de ster, hoe langzamer planeten bewegen en hoe groter hun baan, dus hoe kleiner de kans dat ze net voor de ster langstrekken als Kepler waarneemt.  Traub heeft echter een techniek ontwikkeld om dit probleem te omzeilen.

Hij heeft namelijk een empirische exponentiële wet ontdekt die beschrijft hoeveel sterren planeten hebben met een gegeven omloopperiode. Erg handig, want de omloopperiode (lengte van het jaar) hangt rechtstreeks af van de afstand tot de ster en kan dus worden gebruikt om te berekenen hoeveel sterren planeten in de bewoonbare zone hebben. Dit deed Traub, om zo tot zijn conclusie te komen: ongeveer een derde van alle FGK sterren hebben tenminste één aardachtige planeet in de bewoonbare zone. Er zijn in ons melkwegstelsel ongeveer 300 miljoen sterren. Als je bedenkt dat één op de vijf sterren in de klasse F, G of K valt, dan betekent dat alleen al in ons melkwegstelsel een duizelingwekkend aantal van 20 miljoen planeten waarop zich in theorie leven kan ontwikkelen.

Bron:
Wesley Traub, Terrestrial, Habitable-Zone Exoplanet Frequency from Kepler, Arxiv.org (2011)

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen ze vandaan?

Zwarte gaten oorzaak vorming eerste melkwegstelsels

Het is een kip of het ei probleem. Wat was er nou eerder, het melkwegstelsel of het superzware zwarte gat in het midden? Voor beide zijn er goede argumenten. Waarnemingen van zeer vroege melkwegstelsels hebben het pleit nu beslecht. Waarmee het volgende raadsel er om schreeuwt opgelost te worden…

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen ze vandaan?
Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen die vandaan?

Zwart gat veroorzaakt melkwegstelsel
Elk bekend melkwegstelsel heeft een zwaar zwart gat in het centrum, dat fel opflikkert als het sterren of kosmische gaswolken opslokt. Zwarte gaten en melkwegstelsels hebben dus iets met elkaar te maken. Waarschijnlijk veroorzaakt het ene verschijnsel het andere. Maar waarmee begon het? Volgens sommige theorieën zorgt de ophoping van materie in het centrum van een melkwegstelsel er voor dat zich na verloop van tijd zoveel massa ophoopt, dat zich een zwart gat vormt. Volgens andere theorieën is het precies andersom en zijn melkwegstelsels als het ware de accretieschijven van de zwarte gaten in het centrum.

Het pleit lijkt nu beslecht. Er zijn nu vroege melkwegstelsels ontdekt uit het prille begin van het heelal, tien miljard jaar geleden. Het heelal was toen een kwart zo oud als nu. In deze melkwegstelsels is het zwarte gat in het centrum in verhouding tot de rest van het melkwegstelsel disproportioneel groot. Het melkwegstelsel is zo klein dat het niet de materie had kunnen leveren om het zwarte gat te vormen. De conclusie is onontkoombaar. Het zwarte gat is het kosmische ei, waar de kip van het melkwegstelsel uit tevoorschijn kwam.

Mini-melkwegstelsels
Geen erg grote kip trouwens. In die tijd waren melkwegstelsels nog heel klein, ongeveer zo groot als de Magalhaese Wolken, twee dwergstelsels die nu door ons melkwegstelsel worden opgeslokt. De studie waarop hoofdauteur Trump zich heeft toegelegd is onderdeel van CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en gebruikte een krachtig nieuw instrument op de Hubble Space Telescope. De “slitless grism” (vrij vertaald: een combinatie van een prisma met een raster, waarmee een breed beeld is waar te nemen) op de W3FC infraroodcamera van Hubble verschafte gedetailleerde informatie over verschillende golflengtes licht afkomstig van deze melkwegstelsels.

Waar komen de zwarte gaten vandaan?
Omdat de Hubble ruimtetelescoop onovertroffen nauwkeurig is, lukte het de astronomen om licht van zowel het midden (het zwarte gat) als de buitenkant (de schijf) te verzamelen. Ze ontdekten iets verrassends: de onmiskenbare vingerafdruk van een centraal zwart gat. Dit is de eerste keer dat dit ontdekt is. Tot dan toe zijn alleen zwarte gaten in grote stelsels  (zoals dat van ons) ontdekt. Wat het volgende raadsel oplevert. Namelijk: waar komen die enorme zwarte gaten vandaan, en waarom vinden we ze niet in dwergstelsels in de buurt? Volgens de standaard kosmologische inflatiemodellen was de kosmos erg effen na de inflatiefase. Door welk merkwaardig proces zijn ze gevormd?

Wat is er met de zwarte gaten in dwergstelsels anno nu gebeurd?
Een mogelijkheid is dat deze melkwegstelsels de voorgangers zijn van de tegenwoordige zware melkwegstelsels zoals onze eigen Melkweg en buurstelsel Andromeda, aldus Trump. Volgens zijn collega Faber roept dit extra vragen op. Om zich anno nu te ontwikkelen tot grote stelsels, hadden de ministelsels veel sneller moeten groeien dan de huidige modellen toelaten. Als het dwergstelsels blijven, zouden de dwergstelsels van nu ook centrale zwarte gaten moeten hebben. Faber denkt daarom dat er zich een grote verzameling kleinere zwarte gaten in dwergstelsels bevindt, die nog niemand waar heeft genomen. Deze voorspelling is te testen. Dwergstelsels genoeg, bijvoorbeeld in de buurt van ons eigen melkwegstelsel. Wel zal dit lastig worden. Is dat dwergstelsel zeer arm in gas, dan valt er geen gas in het zwarte gat en geeft dat zwarte gat nauwelijks straling af.

Vraatzucht zwart gat leidt tot stervorming
Trump nam waar dat de dwergstelsels ongeveer tien keer zo snel sterren vormen als de Melkweg nu doet. Hij acht het mogelijk dat er een verband is tussen stervorming en actieve melkwegkernen (bijvoorbeeld quasars). Als er gas beschikbaar is om nieuwe sterren te vormen, kan dat gas ook het zwarte gat voeden, aldus hem. Verder bewijs voor het bestaan van zwarte gaten werd verkregen uit röntgendata van een andere ruimtetelescoop, Chandra. Beide waarnemingen richtten zich op 28 melkwegstelsels in een klein stukje hemel, het Hubble Ultra Deep Field. De data van alle 28 dwergstelsels werd samengevoegd om zo toch nog een statistisch significant resultaat te krijgen. Deze techniek wil het team later ook voor andere onderzoeken gebruiken. Waarnemingstijd op deze ruimtetelescopen is uiterst schaars en gewild. Naast Trump en Faber deden er daarom 27 anderen mee aan dit onderzoek.

Bron
Small distant galaxies host supermassive black holes, University of California (Santa Cruz), 2011
Jonathan H. Trump et al., A CANDELS WFC3 Grism Study of Emission-Line Galaxies at z~2: A Mix of Nuclear Activity and Low-Metallicity Star Formation, ArXiv.org (2011), (ook gepubliceerd in Astrophysical Letters)

‘Centrum melkweg veroorzaakte röntgenflits in Renaissance’

Merkwaardige röntgenbronnen in de buurt van het centrale zwarte gat in het Melkwegstelsel kunnen alleen worden verklaard, door aan te nemen dat het hier om een soort ‘echo’  gaat. Zou dit misschien ook de Kleine IJstijd veroorzaakt kunnen hebben?
Het patroon waarop de wolken opflitsen lijkt te wijzen op een uitbarsting gedurende de Renaissance
Raadselachtige röntgenbronnen
Al meer dan tien jaar bestuderen astronomen verschillende raadselachtige bronnen van röntgenstraling in de buurt van het centrum van de Melkweg. De röntgenstraling is een raadsel, want het gas in de wolken waar deze door uitgezonden wordt is niet heet genoeg om röntgenstraling uit te zenden. Astrofysici staan dan ook voor een raadsel. Eén van de ideeën die nader worden onderzocht is dat de röntgenstraling een echo vormt van een eerdere, krachtiger bron die eerder is uitgebarsten. Inderdaad ontdekten onderzoekers dat het patroon waarop de bronnen opvlammen doet vermoeden dat het hier gaat om de echo’s van één krachtige bron, en zo zijn er meer aanwijzingen.

Er zijn meerdere processen die deze felle röntgenstraling op kunnen wekken. Zo zijn er dubbelsterren, bestaande uit een ‘normale’ ster en een compacte witte dwerg of neutronenster die gas van de ‘normale’ ster opslurpt. Hierbij komt extreem felle röntgenstraling vrij. Bij een dergelijke energieuitbarsting kan tot 1028 W vrijkomen. Dat is per seconde voldoende om de aarde van 3000 jaar zonlicht te voorzien. Bleek de intensiteit van de uitbarsting veel groter, dan is er maar één mogelijke verklaring: een uitbarsting van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg zelf: Sagittarius A*.

Dader betrapt: Sagittarius A*
Masayoshi Nobukawa enm zijn collega’s aan de Kyoto Universiteit in Japan hebben het eerste ondubbelzinnige bewijs gevonden dat Sgr A* inderdaad verantwoordelijk is voor de uitbarstingen. Ze hebben met behulp van de Suzaku röntgensatelliet de intensiteit van de röntgenstraling van diverse wolken gemeten. Ze ontdekten iets interessants: de röntgenstraling van de wolken vertoont dezelfde afnamecurve, zij het dat deze onderling een paar jaar verschoven zijn. De meest logische verklaring: deze wolken zijn door dezelfde röntgenflits beschenen. Door het verschil in afstand zien wij verschillen van enkele jaren tussen verschillende wolken.

Ook berekenden Nobukawa en zijn collega’s dat bij deze uitbarsting 1032 watt vrijkwam: het vermogen van ongeveer honderdduizend zonnen, afgegeven in meerdere eeuwen. Dit is veel te veel om door een enkele ster of dubbelsterren veroorzaakt te zijn. De conclusie: Sagittarius A* moet verantwoordelijk zijn. Deze wolken bevinden zich op ‘slechts’ enkele honderden lichtjaar van Sgr A*, dus moet de uitbarsting de aarde van de veertiende eeuw tot de zeventiende eeuw in röntgenstraling hebben gebaad.

In de toekomst weer een uitbarsting?
Astronomen nemen nu waar dat Sgr A* röntgenstraling met een intensiteit van 1027 W uitstraalt en voortdurend kleine opvlammingen vertoont. Het is dus niet onlogisch, te veronderstellen dat wat in het verleden gebeurd is, zich ook in de nabije toekomst zal herhalen. maar zelfs als dat gebeurt, zullen we alleen indirect via echo’s kunnen waarnemen wat er precies gebeurt. We kunnen Sgr A* namelijk slecht rechtstreeks waarnemen.

Kleine IJstijd veroorzaakt door Sgr A* ?
Ongeveer in deze tijd, van halverwege de zestiende eeuw tot halverwege de negentiende eeuw, daalden de temperaturen op het noordelijk halfrond sterk. Uit deze tijd dateren de bekende schilderijen van oud-Hollandse meesters met wintertaferelen. De grote rivieren vroren geregeld dicht.Volgens een theorie van de Deense klimaatscepticus Henrik Svensmark is kosmische straling verantwoordelijk voor het vormen van wolken. Als een geladen kosmisch deeltje de atmosfeer raakt, worden her en der in zijn pad moleculen geïoniseerd, d.w.z. gestript van één of meerdere elektronen. Deze geladen deeltjes vormen een ideale aanhechtingsplaats voor watermoleculen, waardoor kleine mistdruppeltjes ontstaan en een wolk wordt gevormd. Geen onlogische theorie: zo werkt een nevelvat met oververzadigde damp immers ook. Wolken weerkaatsen veel zonlicht – kijk voor de grap eens naar beneden als je weer in een vliegtuig zit – dus zorgen voor afkoeling.

Als de aarde in een gigantische röntgenvloed werd gebaad, moet dat (als de omstreden theorie van Svensmark klopt) tot veel wolkenvorming, dus een flinke afkoeling hebben geleid. Precies wat er tijdens de Kleine IJstijd in het noordelijk halfrond is gebeurd. Röntgenstraling bestaat weliswaar uit fotonen en niet uit geladen deeltjes, maar is wel krachtig genoeg om elektronen los te slaan uit moleculen en wordt dan ook eveneens tot de ioniserende straling gerekend.

Een probleem met deze verklaring is de time lapse van twee eeuwen. Wel ligt Sgr A* in het sterrenbeeld Boogschutter, dat precies in de wintermaanden overdag boven de horizon staat. Als door de straling van Sgr A* overdag de wolkenvorming werd vergroot, zal dat de ernst van de winters sterk hebben vergroot. Misschien was sprake van een naijleffect, waarbij de vroege wolkenvorming en afkoeling nog werd gecompenseerd door het immense aardse warmtereservoir. Of kwam bij de uitbarsting ook andere kosmische straling vrij, bijvoorbeeld muonen, die massa hebben en iets langzamer dan de lichtsnelheid reizen.

Bronnen
1. M. Nobukara et al., New Evidence For High Activity Of The Super-Massive Black Hole In Our Galaxy, Arxiv.org (2011)
2. Milky Way’s Black Hole Flared During The Renaissance, Say Astronomers, MIT Technology Review ArXiv Blog (2011)

Een foto van een tot nu toe verborgen gebied. Klik voor een vergroting.

Eerste blik op het verborgen centrum van de Melkweg

In veel opzichten is het centrum van ons Melkwegstelsel de interessantste plek, althans: astronomisch gezien. Een gigantisch zwart gat, enorme hoeveelheden donkere materie en de mysterieuze blue stragglers. Ook is er de geheimzinnige ster S2, die zo dicht bij het zwarte gat helemaal niet kan bestaan. Maar helaas: de kern van het Melkwegstelsel wordt onttrokken aan het zich door gas en stof. Tot nu toe. Voor het eerst: een foto van de vijftig lichtjaar rondom Sagittarius A*, het zwarte gat waar het melkwegstelsel – letterlijk – om draait.

Een foto van een tot nu toe verborgen gebied. Klik voor een vergroting.
Een foto van een tot nu toe verborgen gebied. Klik voor een vergroting.

Het centrum van onze melkweg ligt ongeveer 27 000 lichtjaar weg in de richting van het sterrenbeeld Boogschutter.

In het centrum van onze Melkweg ligt een zwart gat met een massa van ongeveer vier miljoen maal die van de zon. Hieromheen ligt een ringvormige structuur van ongeveer acht lichtjaar doorsnede: de accretieschijf van het zwarte gat die rond het binnenste volume heen ligt. Deze  binnenregio bestaat uit neutraal gas en duizenden sterren die op lichtweken afstand van elkaar staan.

Rond deze ring, tot zevenhonderd lichtjaar ver weg, ligt een dichte moleculaire waterstofwolk. Dit fenomeen komt nergens anders in de Melkweg voor.  Hierin vormen zich enorme clusters zware sterren, gigantische moleculaire wolken – sommigen denken dat hier bouwstenen van het leven worden gevormd, naast nog veel raadselachtige, niet in kaart gebrachte gebieden.

Bron:
Smithsonian Astrophysics Laboratory