melkwegstelsel

‘Melkweg heeft vorm van kromme kroonkurk’

De melkweg heeft geen mooie nette spiraalvorm, maar is kromgetrokken als een kroonkurk. Wat is de oorzaak van deze vreemde vorm?

In 1852 kwam Stephen Alexander, een astronoom aan het college van New Jersey met de radicale suggestie dat de Melkweg zelf een spiraalstelsel is.

Maar terwijl de hedendaagse astronomen het eens zijn over deze algemene vorm, zij het niet eens over de precieze structuur van de spiraal en met name over het aantal armen.

Zit ons melkwegstelsel er zo uit als dit stelsel? Ja, zegt een nieuwe ontdekking.

Astronomen hebben ten minste zes spiraalarmen benoemd. In de jaren 1990 dook er bewijs op dat de Melkweg een centrale balk heeft. De onzekerheid is gemakkelijk te begrijpen. Een groot deel van ons zicht op de melkweg wordt weggenomen door sterren en stofwolken die tussen ons en de verder gelegen delen van de Melkweg in liggen. Met name de dichte centrale massa van de sterren in het centrum neemt het zicht weg op het verste deel van de Melkweg (in Star Trek termen: het Delta Quadrant).

De groeiende consensus is nu dat de Melkweg een centrale balk met twee armen heeft, respectievelijk de Perseus Arm, waarvan het dichtste punt op enkele duizenden lichtjaar van de zon ligt, van de Zon, en de Scutum-Centaurus Arm. (De andere armen worden nu als kleine, voornamelijk uit gas bestaande structuren gezien.)

Thomas Dame en Patrick Thaddeus aan het Harvard-Smithsonian Center voor Astrofysica in Cambridge, Massachusetts leveren verder bewijs van deze 2-arm structuur, maar met een opmerkelijke buiging die verklaart waarom astronomen eerder niet in staat geweest om de structuur duidelijk te zien.

Astronomen meten van oudsher de structuur door het meten van de beweging van grote wolken waterstof en koolmonoxide binnen de melkweg (de snelheid van verre sterren is te moeilijk vast te stellen).

Het nieuwe bewijsmateriaal dat Dame en Thaddeus hebben verkregen, toont het bestaan ​​van een nieuwe arm aan de andere kant van de Melkweg, verder van het centrum gelegen dan wij. De nieuwe arm is 18 kiloparsec (plm. 76 000 lichtjaar) lang en zo strekt zich over zo’n 50 graden langs de hemel uit (honderd zons- of maansdoorsneden). Dame en Thaddeus concluderen dat deze arm een uitbreiding van de Scutum-Centaurus Arm is, waarvan de rest schuilgaat achter het galactische midden.

Dat klinkt logisch. De Perseus-arm, die we duidelijker kunnen zien, draait voor vijfzesde deel rond het galactische centrum. Als Dame en Thaddeus gelijk hebben, moet de Scutum-Centaurus Arm precies symmetrisch met “onze” Perseus-arm. Dat maakt de Melkweg vergelijkbaar met het Grote Balkspiraalstelsel, een oud, dubbel spiraalstelsel ongeveer 56 miljoen lichtjaar van hier.

De reden dat het zo lang duurde voordat deze arm werd ontdekt is volgens Dame en Thaddeus, dat deze arm gebogen is. Hierdoor ligt de arm niet in het galactische vlak, maar iets erboven. Wat betekent dat de Melkweg kromgetrokken is, net als de kroonkurk van een geopende fles bier. Wat zou deze merkwaardige vervorming veroorzaken?

Bronnen
Dame and Thaddeus, A Molecular Spiral Arm in the Far Outer Galaxy, ArXiv (2011)
‘Milky Way is warped, like a beer bottle cap’

Missende en donkere materie eindelijk verklaard?

Al decennia breken astronomen zich het hoofd over een hardnekkig raadsel: hoe komt het dat het binnenste van melkwegstelsels veel langzamer draait dan verwacht? De hiervoor verantwoordelijk geachte donkere materie blijft spoorloos. Tot nu toe…

Het raadsel van de missende atomen

Ongeveer een miljard jaar na de Big Bang leken er veel meer atomen te zijn dan nu. Dat weten we door de straling die deze atomen uitzenden en die waargenomen kan worden door radiotelescopen zoals die in Westerbork. Nu ontbreekt deze straling goeddeels. Ongeveer de helft van alle materie van vlak na de Big Bang ‘ontbreekt’. Let wel: normale (baryonische) materie, het bekende spul met protonen, neutronen en elektronen dus. Daarbij komt nog het raadsel van de donkere materie. Nu duikt echter steeds meer en meer bewijs op dat deze missende atomen voor een deel wolken ultrakoud gas vormen (en als zodanig onzichtbaar voor radiotelescopen zijn).

Van de bekende materie bevindt zich negentig procent in sterren (en een fractie van een procent in planeten en overige hemellichamen). De overige tien procent vormt de galactische gasvoorraad, het interstellaire gas in de melkwegstelsels. Dit is overigens zeer dun, enkele honderden atomen per kubieke meter. Dunner dan het beste vacuüm dat we op aarde kunnen bereiken. Er is ook het intergalactische gas (het gas tussen melkwegstelsels) wat nog veel dunner is, slechts enkele atomen of minder per kubieke meter. Aldus het beeld dat astronomen tot nu toe hadden.

Koude waterstofwolken

Echter: waterstof kan een verdwijntruc uitvoeren. Als waterstofatomen recombineren tot waterstofmoleculen, worden ze veel moeilijker waar te nemen omdat ze vrijwel geen straling uitzenden bij temperaturen vlak bij het absolute nulpunt zijn. Deze koude moleculaire wolken waterstof zouden wel eens een groot deel van de missende materie kunnen verklaren. Koolmonoxide wordt echter onder vrijwel vergelijkbare omstandigheden, is wel zichtbaar en kan dus als spoor dienen om de koude waterstofwolken op te sporen. Tot vrij recent  was dit de enige manier om koude waterstof waar te nemen.

Merkwaardige gammabronnen

Donkere materie. Waar is het grootste deel van de massa gebleven?

Het melkwegstelsel is bezaaid met onverklaarbare bronnen gammastraling, ontdekte NASA’s Compton Gamma Ray Observatory. Opmerkelijk was dat deze bronnen constant zijn en niet, zoals gammaflitsen, snel uitdoven. Pas toen deze kaarten werden samengevoegd met de kaarten van infraroodsatellieten (waarmee stofrijke gebieden opduiken) en CO-rijke gebieden, werd duidelijk dat deze met elkaar samenhingen. De theorie van het team is dat energierijke kosmische straling stofdeeltjes raakt en vervolgens gammastraling uitzenden.

Om dergelijke grote hoeveelheden stof en koolmonoxide te verklaren moeten er volgens de onderzoekers enorme voorraden koud moleculair waterstof op die plekken zijn. Ze veronderstellen ook dat er tussen het ‘warme’ interstellaire medium en de ‘koude’ gebieden met CO en stofdeeltjes nog een onzichtbare overgangszone ligt, waar de waterstof onzichtbaar wordt, maar zich nog onvoldoende CO gevormd heeft om zichtbaar te worden. De grootte van de wolken wordt op die manier meer dan verdubbeld. Voldoende om een aantal geliefde theorieën over stervorming en -evolutie grondig in de war te schoppen.

Verklaring donkere materie?

Volgens één astronoom, de Zwitser Daniël Pfenniger, zijn ultrakoude wolken de verklaring voor de geheimzinnige donkere materie. De verdeling van de wolken over de Melkweg komt volgens hem namelijk precies overeen met wat we zouden verwachten van de zwaartekrachtseffecten die we waarnemen van donkere materie. Wel is de hoeveelheid die tot nu toe is ontdekt nog veel te klein om zelfs maar de ontbrekende Big Bang materie te verklaren, laat staan donkere materie. Het kan echter heel goed zo zijn dat we nog maar het topje van de ijsberg aan moleculair waterstof hebben ontdekt. De nieuwe samengestelde radiotelescoop ALMA in de Chileense Andes gaat zich hiermee bezig houden. Rond 2012 moeten we het antwoord op de vraag hebben of zich hier inderdaad de verborgen materie schuilhoudt.

Misschien is het intergalactische medium niet leeg, zoals tot nu toe gedacht. Er wordt door astronomen ook steeds meer gedacht dat melkwegstelsels als het ware accretieschijven zijn van de enorme zwarte gaten in hun centrum, die zich voortdurend voeden met het gas uit het intergalactische medium, WHIM. Als dat inderdaad zo is, is er overvloedig veel sterrenbrandstof aanwezig en zou ons melkwegstelsel wel eens veel langer in leven kunnen blijven dan tot nu toe gedacht…

Bronnen
New Scientist

Mysterieuze reuzenexplosies in dwergstelsels opgehelderd

Veel is nog onbekend over de kleinste melkwegstelsels, de dwergstelsels. Zo was het een raadsel waarom juist in deze kleine stelsels zich de zwaarste sterontploffingen voordeden. Onderzoekers denken nu te weten waarom.

Wat zijn dwergstelsels?
Dwergmelkwegstelsels
komen in diverse vormen voor. Vergeleken met ons eigen melkwegstelsel zijn ze veel kleiner, rond een honderdste zo zwaar.  Alleen al rond ons eigen melkwegstelsel cirkelen er veertien. Ze lijken beduidend jonger te zijn dan de grotere melkwegstelsels, omdat de stervormingssnelheid in dwergstelsels veel lager is dan die in onze eigen melkweg. Eén van de gevolgen daarvan is dat dwergstelsels arm zijn in andere elementen dan waterstof en helium. Planeten in dwergstelsels zijn dus vooral gasreuzen. Aardachtige planeten zijn er vermoedelijk zeer schaars.

I Zwicky 18a is een bekend, raadselachtig dwergstelsel.

Reusachtige explosies
Al jarenlang braken astronomen zich het hoofd over mysterieuze supernova’s die uit het niets leken te ontstaan waar zich geen enkel melkwegstelsel bevond. Al eerder werd verondersteld dat de supernova’s vermoedelijk in onzichtbare dwergmelkwegstelsels schuilgingen. De apparatuur was in die tijd nog niet zo goed als nu. Nu is dat anders en weten we dat die supernova’s inderdaad in dwergmelkwegstelsels plaatsvinden. Tot nog toe was nog steeds een raadsel waarom. Immers: hoe groter de supernova, hoe zeldzamer, zeker in een dwergstelsel.

Heliumbom
Nu hebben onderzoekers ontdekt waarom. De UV-satelliet (sterren die zich net beginnen te vormen zenden zeer veel ultraviolette straling uit) Galaxy Evolution Explorer ontdekte dat inderdaad de stervormingssnelheid in dwergstelsels veel lager is. In een dwergsterrenstelsel komen er relatief veel zware explosies voor door het gebrek aan zware elementen. Zware elementen werken in sterren als een katalysator om de kernfusie op gang te brengen. Door het ontbreken hiervan in dwergmelkwegstelsels kunnen protosterren veel groter worden dan in een normaal melkwegstelsel. Het gevolg is de bovengrens voor de maximale stermassa – in ons melkwegstelsel honderdvijftig zonsmassa’s voordat de ster zichzelf uit elkaar blaast – in een dwergstelsel hoger ligt, de ster tijdens zijn bestaan veel minder massa wegblaast  en dus dat er een veel zwaardere explosie kan ontstaan. Deze zware explosies zijn uiteraard slecht nieuws voor planeten met leven in de buurt. Nog een argument waarom er in dwergstelsels niet zo snel leven zal ontstaan.

Bronnen
ScienceDaily
Astrophysical Journal

‘Raadselachtige balk in melkwegstelsels is tijdelijk verschijnsel’

Sommige spiraalstelsels, zoals de Melkweg, vertonen een mysterieuze balk in het centrum. Slecht nieuws, denken astronomen, want dat zou betekenen dat  het Melkwegstelsel ten dode is opgeschreven. De Australische astronoom Sidney van den Bergh denkt nu dat balken tijdelijk zijn en dat de gevolgen voor de Melkweg minder sinister zijn dan het tot nu toe leek…

Hubbles stemvork

In Hubble's indeling zijn er drie takken: elliptische stelsels, spiraalstelsels en balkstelsels.

Melkwegstelsels komen in meerdere vormen voor: spiraalstelsels, zoals het onze, elliptische stelsels, die zeer groot zijn en over het algemeen ontstaan zijn na botsing van andere melkwegstelsels en tot slot onregelmatige melkwegstelsels, waarvan de vormen nogal afwijken van andere melkwegstelsels. Die laatste groep bestaat uit heel veel verschillende soorten, denk aan melkwegstelsels met vrijwel alleen donkere materie, bizarre ringen als Hoags Object,  door de zwaartekracht van andere stelsels uit elkaar getrokken stelsels en dergelijke.

Ook spiraalstelsels worden weer onderverdeeld, namelijk in groepen met en zonder centrale balk. Tot voor kort werd gedacht dat het Melkwegstelsel geen centrale balk had, maar dat blijkt dus niet te kloppen.  Verder komen er kleinere dwergstelsels voor, zoals bolvormige sterhopen, dwergelliptische en dwergspiraalstelsels. Deze stelsels worden onderverdeeld met behulp van Hubble’s stemvork. Onregelmatige stelsels vallen hier buiten.

Balk komt vaker voor in oudere melkwegstelsels
Op dit moment is de manier waarop melkwegstelsels zich vormen en ontwikkelen nog steeds met veel raadsels omgeven. Een bekend astronomisch raadsel is de vraag waarom er in sommige melkwegstelsels balken ontstaan. Eerder onderzoek leek aan te geven dat de vorming van de balk een verouderingsverschijnsel is: de vorming van een balk zou dan ongeveer twee miljard jaar duren. In vroege melkwegstelsels komt maar in ongeveer twintig procent van de spiraalstelsels een balk voor; bij onze kosmische buren is dat zeventig procent.

Geen relatie tussen leeftijd en optreden balk
Sidney van den Bergh besloot deze veronderstelling eens te onderzoeken bij A Revised Shapley-Ames Catalog of Bright Galaxies, een lijst van vijfhonderd melkwegstelsels, en kwam tot verrassende conclusies. Het is namelijk mogelijk de levensduur van sterren (en het gas waaruit ze gevormd zijn) vast te stellen aan de hand van hun spectrum. Oudere melkwegstelsels zijn aanmerkelijk roder dan jonge, omdat de felle blauwe en witte reuzensterren snel opbranden.

Balken tijdelijk?
Hij ontdekte dat er geen enkel verband bestaat tussen kleurverdeling en het al dan niet optreden van de balk. Van den Bergh denkt daarom dat de balken verschijnen en verdwijnen, vluchtige structuren zijn dus en dat als zich eenmaal een balk heeft gevormd, deze langzaam weer oplost in het niets. Veel astronomen zijn het echter niet eens met deze interpretatie. Wat de werkelijke oorzaak is van het optreden van de balken blijft dus een raadsel. Door sommigen wordt gedacht dat ze ontstaan omdat door resonantieeffecten grote hoeveelheden gas naar binnen worden gezogen, want de melkwegkernen van melkwegstelsels met een balk zijn opmerkelijk actief. Er is nog steeds geen definitieve verklaring.

Kardashev-III?
Een Kardashev III beschaving misschien, die op die manier probeert het stervende hart weer nieuw leven in te blazen of het enorme zwarte gat in het centrum op te peppen? Dat zou verklaren waarom ze veel vaker voorkomen in oudere melkwegstelsels en er tegelijkertijd geen verschillen zijn in samenstelling van het gas.  Een wat minder woeste verklaring is dat het te maken heeft met de verdeling van donkere materie in het melkwegstelsel die mogelijk anders is in het centrum bij balkspiraalstelsels.

Bronnen
ArXiv Blog
ArXiv

Het grootste deel van de melkwegstelsels heeft een raadselachtige balk in het midden. Nog steeds weten astronomen niet waarom.

Melkwegstelsel is kannibaal

Sommige sterren vlak bij de kern van het melkwegstelsel NGC 1700 draaien tegen de draairichting van de rest van het melkwegstelsel in. Een bewijs voor het opeten van een kleiner melkwegstelsel, stellen drie astronomen van de sterrenwacht van Tenerife.

NGC 1700 blijkt een ander melkwegstelsel opgeslokt te hebben.

Botsingen en zwaartekrachtseffecten (die uiteindelijk op een vorm van zachte botsing neerkomen) zorgen er gewoonlijk voor dat sterren, planeten en andere objecten die zich in een baan om een zwaarder object bevinden, uiteindelijk in dezelfde richting gaan draaien. Om die reden zijn uitzonderingen op die regel uiterst zeldzaam. Vandaar dat astronomen verrast werden door sterren in de kern van sommige melkwegstelsels, waaronder het elliptische melkwegstelsel NGC 1700, die tegen de draairichting van de rest van het stelsel in bewogen. De eerste waarneming van dergelijke sterren dateert al van vele jaren terug.

In NGC 1700, een elliptisch melkwegstelsel 160 miljoen lichtjaar van ons verwijderd, is nu ontdekt dat de tegendraadse sterren in het binnenste van deze melkweg niet alleen tegen de draairichting van het stelsel in gaan, maar ook veel jonger zijn, onder meer omdat ze veel meer zware elementen bevatten. Zeer oude, zogeheten populatie-II sterren (zoals in de meeste kernen van melkwegstelsels voorkomen) bevatten nauwelijks zware elementen zoals ijzer en magnesium (waar de metingen aan zijn uitgevoerd). In de tijd dat ze werden gevormd waren er nog nauwelijks supernova’s geweest die deze sterren konden verrijken met deze elementen (m.u.v. de nog nooit waargenomen, veronderstelde populatie-III hypernova’s).

Deze waarneming van Kaj Kolja Kleineberg en collega’s Sánchez-Blázquez en Vazdekis is een bevestiging van een theorie dat melkwegstelsels geregeld andere stelsels opslokken. De ‘tegendraadse’ jonge populatie-I sterren (de zon is een populatie-I ster) zijn dan een overblijfsel van het andere melkwegstelsel, de naweeën van de botsing.

De sterren die met de rest van het melkwegstelsel meedraaien blijken, zoals gebruikelijk in het centrum van oudere melkwegstelsels, vrijwel alle tot de oude populatie II te behoren.

Bronnen:
New Scientist
Arxiv

Bestaat donkere materie wel?

Wetenschappers hebben verbanden gevonden tussen de grootte van het zwarte gat in het centrum van een melkwegstelsel en de omvang van de “bobbel” in het centrum van een melkwegstelsel. Ook vonden ze verbanden tussen de grootte van de spiraalschijf en de hoeveelheid donkere materie. Wat echter ontbreekt, blijkt uit de nieuwste analyses, is een verband tussen de grootte van het zwarte gat in het centrum en de hoeveelheid donkere materie.

Dat is vreemd. Immers: als er vijf keer zoveel donkere materie is als zichtbare materie (wat de meeste kosmologen geloven), zou je verwachten dat er veel meer donkere materie dan zichtbare materie door zwarte gaten opgeslokt zou worden, m.a.w. dat er een sterk verband bestaat tussen de hoeveelheid donkere materie en de grootte van de zwarte gaten.

NGC 2998 kent nauwelijks een bobbel. Een mooie test om vast te kunnen stellen of donkere materie misschien iets te maken heeft met zwarte gaten.

In een nieuwe analyse hebben de Duitse astronomen John Kormendy en Ralf Bender aan het Duitse Max Planck Instituut voor buitenaardse fysica het antwoord gevonden. Ze bestudeerden zes naburige melkwegstelsels die wel een zwart gat bevatten maar geen bobbel, zoals de hier getoonde NGC 2988. Ze deden dit om te kunnen vaststellen of bij het ontbreken van de gebruikelijke correlatie met een bobbel (zoals bij deze zes ontbrak), zwarte gaten wellicht worden verklaard door de hoeveelheid donkere materie. Voorlopige conclusie: een dergelijke correlatie is afwezig.  Hoeveel donkere materie ook aanwezig is, het heeft geen invloed op de grootte van zwarte gaten.  Er bestaat slechts een correlatie met het melkwegstelsel zelf: hoe groter het melkwegstelsel, hoe groter het zwart gat.

Dit is uiteraard koren op de molen van de aanhangers van de zwaartekrachtstheorie MOND, modified Newtonian dynamics. Volgens hen bestaat er helemaal geen donkere materie. De reden dat er iets als donkere materie lijkt te bestaan, heeft domweg te maken met het gedrag van de zwaartekracht, dat volgens MOND heel anders is op enorme afstanden zoals die in de Melkweg. De implicaties van het niet bestaan van donkere materie zouden enorm zijn. Bestaat er niet iets als donkere materie, dan kunnen heel wat kosmologische theorieën op de schroothoop. Onze voorspellingen over hoe het heelal er in de verre toekomst uit zal zien, kloppen dan bijvoorbeeld niet meer.

Bron: ArXiv blog

Geheimzinnige ring op 600 miljoen lichtjaar afstand

Hoag’s Object, een ring zo groot als een melkwegstelsel, is al meer dan een halve eeuw geleden ontdekt door de Amerikaanse astronoom Art Hoag.
Hoags Object staat zeshonderd miljoen lichtjaar ver weg. Dat wil zeggen dat het licht dat we nu zien is uitgezonden toen hier op aarde de eerste fossielen van meercellige dieren ontstonden. Waar komt deze raadselachtige ring vandaan?

Hoag's Object: een ring van jonge sterren rond een bolvormig melkwegstelsel is nog steeds niet verklaard.

Hoag’s Object bestaat uit een ring met een doorsnede van 120.000 lichtjaar (ons melkwegstelsel is honderdduizend lichtjaar in doorsnede).  Merkwaardig aan de ring is dat hij stabiel is en uit jonge, blauwe reuzensterren bestaat. De kern bestaat uit veel oudere, kleinere rode sterren. Ook is de ruimte tussen het elliptische E0 melkwegstelsel in het centrum en de ring vrijwel leeg.

Er zijn meer ringvormige melkwegstelsels bekend. Deze zijn meestal het gevolg van de botsingen van twee andere melkwegstelsels. Opvallend aan dit stelsel is dat de roodverschuiving van de ring exact gelijk is aan de roodverschuiving van de bolvormige sterrenhoop in het centrum. Dat wil zeggen dat ring en bolvormige sterrenhoop bij elkaar horen en in een stabiele configuratie verbonden zijn. Blauwe sterren leven over het algemeen naar astron0mische begrippen kort: enkele tientallen tot honderden miljoenen jaren. Ze moeten dus vrij kort geleden ontstaan zijn.

Volgens een moderne theorie zijn de sterren het gevolg van een botsing tussen een grotere en een kleinere melkweg. De zwaartekrachtseffecten verdichtten het interstellaire stof op de plek waar zich de ring bevindt zo sterk, dat de kritische massa hoog genoeg werd voor de vorming van sterren. De ring moet zich volgens deze theorie snel naar buiten verplaatsen.

Een meer omstreden theorie stelt dat de ring het resultaat is van elektrische stromen op kosmische schaal. Elektrische stromen hebben de neiging samen te trekken. Inderdaad is recent ontdekt dat de helft van alle baryonische materie (d.w.z. materie die, zoals op aarde, uit protonen, neutronen en elektronen bestaat) in het heelal bestaat uit plasmawolken tussen melkwegstelsels. Plasma is een extreem heet mengsel van losgeslagen elektronen en atoomkernen dat (afhankelijk van de dichtheid uiteraard) goed stroom geleidt. Misschien dat er voortdurende verjonging van melkwegstelsels plaatsvindt via deze plasmawolken.

Dutch