sterrenstelsels

De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa's.

‘Primordiale zwarte gaten vormen donkere materie’

7 reacties / Ideeën, Universum, Wetenschap / Door / 6 januari 2021

De zwaartekrachtgolfdetector LIGO ontdekte niet alleen zwaartekrachtgolven. Veel interessanter is waarvan LIGO zwaartekrachtgolven waarnam: zwarte gaten van rond de 30 zonsmassa’s, een formaat dat volgens de gevestigde theorieën helemaal niet kan bestaan. Zou donkere materie uit primordiale zwarte gaten bestaan? En zouden zwarte gaten de missing link zijn voor de evolutie van sterrenstelsels? En de overblijfsels van baby-universa?

De bestaande theorieën voor het ontstaan van zwarte gaten blijken onvolledig

De tot nu toe vóór LIGO ontdekte zwarte gaten vallen ruwweg uiteen in twee grootteklassen. Kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s, zoals Cygnus X-1, ontstaan door het ineenstorten van zware sterren van enkele tientallen zonsmassa’s.

Ook zijn er de enorme zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s, zoals Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg. Deze vormen het centrum van sterrenstelsels. Er zijn geen middelgrote zwarte gaten van bijvoorbeeld  enkele honderden of duizenden zonsmassa’s gevonden, al bestaan deze vermoedelijk in het centrum van bolvormige sterhopen.

Het lichtste grote zwarte gat is meer dan een miljoen zonsmassa’s. De twee door LIGO waargenomen ineengestorte zwarte gaten, die een nieuw zwart gat van 62 zonsmassa’s produceerden, hadden een massa van rond de dertig zonsmassa’s. Er moet een ander mechanisme dan stervorming hiervoor verantwoordelijk zijn. Hetzij de samensmelting van kleinere zwarte gaten van rond de tien zonsmassa’s, hetzij een heel nieuw mechanisme. Bijvoorbeeld primordiale vorming: hypothetische zwarte gaten die vlak na de Big Bang ontstonden. Zouden de twee botsende zwarte gaten primordiale zwarte gaten zijn geweest?

Primordiale zwarte gaten

De kosmische achtergrondstraling blijkt namelijk opmerkelijk korrelig te zijn. De verklaring is volgens astronoom A. Kashlinsky dat clusters zwarte gaten van rond de dertig zonsmassa’s hiervoor verantwoordelijk zijn[1]. Zijn voorspelling is dat vrijwel alle donkere materie uit zwarte gaten bestaat met een vrij nauwe massaverdeling rond deze dertig zonsmassa’s.

De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa's. -NASA
De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa’s. -NASA

Deze kunnen de zaden hebben gevormd, waar zich bolvormige sterhopen omheen vormden. De hypothetische, maar nog niet waar genomen centrale zwarte gaten in bolvormige sterhopen zijn namelijk ongeveer deze grootte. Deze zijn samengesmolten en vormden de eerste spiraalstelsels. De andere bolvormige sterhopen worden dan weer opgeslokt door grotere spiraalstelsels. Inderdaad bevindt zich rond de Melkweg een halo van bolvormige sterrenstelsels. Mogelijk bestaat de donkere materie daarom uit zwarte gaten waar rond we geen sterren kunnen waarnemen, dus voor ons onzichtbaar zijn. Dit zou ook de raadselachtige uitbarstingen van röntgenstraling verklaren. Elke keer als een zwart gat een zwerfplaneet of ander zwervend galactisch object opslokt, komt een chirp van röntgenstraling vrij.
Voor deze theorie pleit ook dat de sterren in bolvormige sterhopen metaalarm en dus zeer oud zijn: ze zijn echt gevormd uit Big Bang-gas en niet uit restanten van supernova’s.

Baby-universa

Russische en Japanse kosmologen van het instituut Kavli IPMU bij Tokio, hebben deze theorie nu uitgebreid. Die primordiële zwarte gaten zijn niet zomaar zwarte gaten, maar de overblijfselen van ‘doodgeboren’ baby-universa. Van buiten nemen wij deze waar als een zwart gat. Sommige baby-universa bestaan zelfs nog steeds. Van binnen een dergelijk baby-universum lijkt het alsof het uitzet.

Het is lastig om zwarte gaten waar te nemen. Dat kan eigenlijk maar op enkele manieren. De accretieschijf, de zwaartekrachtswerking en hun werking als zwaartekrachtslens. De accretieschijf, de draaikolk van materie die het zwarte gat ingezogen wordt, is alleen waar te nemen als het zwarte gat materie opslurpt. Wat zelden gebeurt. Het heelal is groot en leeg. Dus verzon de groep een list. De Hyper Suprime-Cam (HSC) neemt het naburige Andromeda-stelsel waar. Naburig is hier relatief: twee miljoen lichtjaar. Als er primordiale zwarte gaten voro de lens trekken, kunnen we dat waarnemen als sterren die van plaats veranderen. Dit door de zwaartekrachtlenswerking. Erg veel heeft het onderzoek nog niet opgeleverd, al is er nu wel een ondergrens vastgesteld [2].

Bronnen
1. A. Kashlinsky, LIGO Gravitational Wave Detection, Primordial Black Holes, and the Near-IR Cosmic Infrared Background Anisotropies, The Astrophysical Journal Letters, 2016
2. Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov en Edoardo Vitagliano, Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes” by  30 October 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.181304

Sterrenstelsels zijn niet toevallig verdeeld over het heelal, maar hopen zich op in de randen van kosmische 'zeepbellen'. Bron: Hallym Universiteit, Zuid-Korea

‘Galactische muren’ nog steeds onverklaard

6 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 12 april 2016

In het heelal komen er structuren voor, die zo groot zijn dat ze ons voorstellingsvermogen tarten. Welk proces heeft deze raadselachtige megastructuren gevormd?

Onder deze grootste systemen die in het heelal zijn aangetroffen, bevinden zich zogeheten galactische muren. Deze zijn opgebouwd uit miljoenen sterrenstelsels en letterlijk miljarden lichtjaar groot. De bekendste galactische muur is de Sloan Great Wall, maar er zijn de laatste jaren nog grotere ontdekt.

Could Galactic Walls Prove We're Wrong About The Universe?

De galactische muren, die grotendeels uit donkere materie bestaan, omringen bellen van leegte. In feite heeft op de allergrootste schaal het universum veel weg van schuim, waarbij de materie zich op de randen manifesteert. Een mysterieuze invloed, door astrofysici ‘donkere energie’ gedoopt, maakt deze bellen steeds groter en duwt de sterrenstelsels op de randen, zoals de onze, en daarmee het heelal, steeds verder en steeds sneller uiteen.

Sterrenstelsels zijn niet toevallig verdeeld over het heelal, maar hopen zich op in de randen van kosmische 'zeepbellen'. Bron: Hallym Universiteit, Zuid-Korea
Sterrenstelsels zijn niet toevallig verdeeld over het heelal, maar hopen zich op in de randen van kosmische ‘zeepbellen’. Bron: Hallym Universiteit, Zuid-Korea

Video: explosieve vorming van een reusachtig zwart gat

3 reacties / Analyses, Universum, Wetenschap / Door / 3 augustus 2012

Waar kwamen de enorme zwarte gaten vandaan die zich nu schuilhouden in het centrum van sterrenstelsels als de Melkweg? Zelfs sterrenstelsels van twee miljard jaar oud blijken namelijk al over zwarte gaten te beschikken die niet veel lichter zijn dan in moderne sterrenstelsels. Lang worstelden astronomen met deze vraag, totdat numerieke simulaties het antwoord opleverden. Bekijk hier de spectaculaire beelden van botsende sterrenstelsels, waarbij zich een extreem zwaar zwart gat vormt.

De simulatie stopt daar waar de resolutie te laag wordt. De afstanden in het heelal zijn immens; zelfs de doorsnede van een zwart gat met rond de 4 miljoen zonsmassa’s, zoals Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg, is slechts enkele lichturen. Ter vergelijking: de doorsnede van de Melkweg is rond de 100 000-120 000 lichtjaar. We weten dus niet wat er gebeurt als de zwarte gaten hun dodendans voortzetten. Blijven ze tot in eeuwigheid doorgaan met om elkaar heen te draaien of smelten ze door een of ander proces, bijvoorbeeld door het uitstralen van zwaartekrachtsgolven, toch samen?

De zaak van de sterren die niet horen te bestaan

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 26 april 2012

Uit de allervroegste beelden van melkwegstelsels, waarvan het licht dat ons nu bereikt vlak na hun ontstaan dateert, blijkt dat ze drie maal zoveel sterren bevatten als verwacht. Astronomen staan voor een raadsel.

De open sterrenhoop Omega Centauri ligt op ongeveer 16.000 lichtjaar van de aarde. Uit recent onderzoek blijken de sterren van de sterrenhoop rond een centrale as te draaien. Een rest van een dwergsterrenstelsel? Bron: NASA, ESA ex. Wikimedia Commons
De open sterrenhoop Omega Centauri ligt op ongeveer 16.000 lichtjaar van de aarde. Uit recent onderzoek blijken de sterren van de sterrenhoop rond een centrale as te draaien. Een rest van een dwergsterrenstelsel? Bron: NASA, ESA ex. Wikimedia Commons

Aantal sterren zwaar onderschat
In dit beeld van de bolvormige sterrenhoop Omega Centauri (vermoedelijk een restant van een door de Melkweg opgeslokt dwergsterrenstelsel), die deel uitmaakt van de Melkweg, zijn heldere, hete sterren blauw gekleurd, zwakke rood. Voor verder weg gelegen sterrenstelels werkt deze methode niet: lichtzwakke sterren zijn onmogelijk te zien.

Nu blijkt dat sommige van de verst weggelegen sterrenstelsels in het universum werkelijk wemelen van de sterren, veel meer dan verwacht. De enige informatie die sterrenstelsels astronomen geven, komt van het licht van hun sterren. Echter: niet alle massa van een sterrenstelsel bevindt zich in hun sterren.

Donkere materie
Sommige massa is opgesloten in onzichtbare donkere materie, die niet direct kan worden waargenomen. Om dit probleem op te lossen, schatten astronomen doorgaans de massa van een sterrenstelsel door in kaart te brengen hoe de sterren ten opzichte van elkaar bewegen. Snel bewegende sterren zijn doorgaans een teken van veel zwaartekrachtswerking, dus van veel massa. Ze vergelijken de hoeveelheid zichtbare massa met de uit de sterbewegingen en -verdeling blijkende massa en nemen aan dat de rest rekenkundig kan worden aangevuld met donkere materie.

“Om precies te schatten wat de massa is die [sterrenstelsels] werkelijk hebben, gebruiken we altijd een bepaalde conversiefactor [IMF – stellar initial mass function – red.],” aldus University of Oxford astronoom Michele Cappellari. “De conversiefactor die we vele decennia hebben gebruikt, blijkt niet te kloppen.” De IMF geeft weer hoe de massaverdeling is van sterren die in sterrenstelsels gevormd worden, m.a.w. hoeveel massa in lichte of juist zware typen sterren gaat zitten. Tot nu toe werd aangenomen dat die verdeling voor ieder type sterrenstelsel gelijk was.

Drie keer teveel sterren
Cappellari ontdekte dat de verhouding tussen zichtbaar licht en stermassa niet hetzelfde is voor alle sterrenstelsels – deze verschilt per type stelsel. De fout was het grootst voor de verst verwijderde sterrenstelsels, waar zich drie keer zoveel sterren in bevonden als hiervoor gedacht. Naar bleek, hadden astronomen de zwakke sterren in deze verre sterrenstelsels niet meegeteld.

Waarmee een nieuw kosmisch raadsel is geschapen. Als we verafgelegen sterrenstelsels zien, zien we ze op een zeer jeugdige leeftijd. De hamvraag: waar kwamen al die vele sterren in deze sterenstelsels vandaan? Cappillari concludeert: “Ze [de sterrenstelsels] moeten sneller groeien dan we tot nu toe dachten.”

Bronnen
Under ‘dark halo’ old galaxies have many more stars, Oxford Universiteit, 2012
Michele Cappellari, Systematic variation of the stellar initial mass function in early-type galaxies, Nature (2012), doi:10.1038/nature10972

A520 kent zes massacentra (zie cijfers). De totale doorsnede is rond de 4 miljoen lichtjaar.

Het A520 mysterie

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 14 maart 2012

Donkere materie blijkt soms veel stroperiger te zijn dan tot nu toe gedacht. Wat gebeurt er in het donkere hart van A520? Nieuwe waarnemingen maken het raadsel alleen nog groter.

Het raadsel van supercluster A520
A520 is een galactische supercluster, dat wil zeggen: behorende tot de grootste structuren die we in het heelal kennen. A520 is het product van de botsing van enkele superclusters.

Nu is er met A520 wat vreemds aan de hand. Astronomen bestudeerden de zwaartekrachtsverdeling in Abell 520 door de zwaartekrachtslenswerking van de materie in A520 te analyseren met de Hubble ruimtetelescoop.

A520 kent zes massacentra (zie cijfers). De totale doorsnede is rond de 4 miljoen lichtjaar.
A520 kent zes massacentra (zie cijfers). De totale doorsnede is rond de 4 miljoen lichtjaar.

Onverklaarbare klontering donkere materie
Superclusters bevatten, zoals alle groepen melkwegstelsels, naast materie, een veelvoud aan donkere materie.  Analyses van eerdere  botsingen wezen uit dat de bijbehorende wolken donkere materie door elkaar bewogen. Bij deze botsing klontert de donkere materie echter opeen in het centrum, een verschijnsel dat nog nooit eerder is waargenomen. Ook zendt dit gebied erg veel röntgenstraling uit (de rode gloed in de afbeelding).

Dit maakt het raadsel van wat donkere materie eigenlijk is, alleen maar groter. Klaarblijkelijk gedraagt deze zich verschillend in omstandigheden die in grote lijnen sterk op elkaar lijken. In sommige gevallen lijkt het zich als een weerstandsloos fluïdum te gedragen, in dit geval meer als een gaswolk (zij het dan dat er van excessieve stervorming geen sprake is).

Mogelijke verklaringen
Door de onderzoekers zijn verschillende mogelijke verklaringen genoemd, die echter ook volgens de onderzoekers zelf geen van alle erg bevredigend zijn. Zo betekent deze waargenomen massaverdeling, ook uit eerdere metingen, dat de opeenhoping niet door donkere materie die met zichzelf reageert veroorzaakt kan zijn. Het is ook mogelijk dat dit cluster toevallig erg rijk is aan donkere materie. Diot zou dan wel het eerst bekende cluster ooit zijn waarvoor deze uitzonderlijke verhouding geldt, dus ook dit is een minder waarschijnlijke verklaring. Ook de aanwezigheid van een dun filament is mogelijk (maar ook hier: minder waarschijnlijk). Hopelijk wijst toekomstig onderzoek uit wat de precieze oorzaak is.

Bron
H. Hoekstra et al., A Study of the Dark Core in A520 with Hubble Space Telescope: The Mystery Deepens, Arxiv (2012)

Onze naaste grote buur, het Andromedastelsel, vormt net als de Melkweg nauwelijks sterren meer. Andere melkwegstelsels zijn hyperactief. Waarom?

Mysterieuze invloed schakelt melkwegstelsels direct uit

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 21 juni 2011

Vele miljarden jaren geleden vormde ons melkwegstelsel veel sterren. Nu nauwelijks meer. De overgang moet heel snel zijn gegaan, blijkt nu. Wat is de mysterieuze invloed die melkwegstelsels zo snel het zwijgen oplegt? Zijn we ten dode opgeschreven of is ons melkwegstelsel in staat tot een verjongingskuur?

Bij wetenschappers is al een aantal jaren bekend dat sterrenstelsels in het nabije heelal veel sterren vormen of juist niet. Maar een nieuw onderzoek van het verre heelal laat zien dat zelfs heel jonge sterrenstelsels, tot 12 miljard lichtjaar, hetzij sterren vormen hetzij in slaap zijn, wat betekent dat sterrenstelsels zich op deze manier hebben gedragen voor meer dan 85 procent van de geschiedenis van het universum.

Onze naaste grote buur, het Andromedastelsel, vormt net als de Melkweg nauwelijks sterren meer. Andere melkwegstelsels zijn hyperactief. Waarom?
Onze naaste grote buur, het Andromedastelsel, vormt net als de Melkweg nauwelijks sterren meer. Andere melkwegstelsels zijn hyperactief. Waarom?

“Het feit dat we zulke jonge sterrenstelsels in het verre heelal die al ophielden sterren te vormen is opmerkelijk,” zegt Kate Whitaker, een Yale University afgestudeerde student en hoofdauteur van het artikel dat is gepubliceerd in de online editie van het Astrophysical Journal op 20 juni.

Om te bepalen of de sterrenstelsels in slaap waren of wakker, verzonnen Whitaker en haar collega’s een nieuwe set filters, die elk gevoelig zijn voor verschillende golflengten van het licht. Deze bevestigden ze op de 4-meter telescoop Kitt Peak in Arizona. Ze bracht 75 nachten door met turen in in het verre heelal en het verzamelen van het licht van 40.000 sterrenstelsels, variërend in afstand van het nabije heelal tot 12 miljard lichtjaren van ons verwijderd. Het resulterende onderzoek is het grondigste en meest complete ooit gedaan op die afstanden en golflengten van het licht.

Het team kwam er achter dat de sterrenstelsels ‘duaal gedrag’ vertoonden op basia van de kleur van het licht die ze uitzenden. Sterrenstelsels met veel stervorming lijken blauwer, omdat ze veel felle, kortlevende blauwe reuzensterren kennen.  In passieve slaperige sterrenstelsels zijn deze al lang geleden uitgebrand, waardoor het licht van de langlevende kleine sterren gaat overheersen en het licht naar de rode kant van het spectrum neigt.

De onderzoekers vonden veel meer actieve sterrenstelsels dan slapende, wat overeenkomt met het huidige denken dat sterrenstelsels actief met stervorming begonnen voordat ze uiteindelijk af gingen sluiten.

“We hebben niet veel sterrenstelsels in de tussenstaat aangetroffen”, zegt Pieter van Dokkum, een Yale astronoom en een andere auteur van het artikel. “Deze ontdekking laat zien hoe snel sterrenstelsels van de ene toestand naar de andere springen, van de actieve vorming van sterren tot het stopzetten van stervorming.”

Of de slapende sterrenstelsels volledig zijn afgesloten, blijft een open vraag, aldus Whitaker. Echter, de nieuwe studie suggereert dat de actieve sterrenstelsels sterren vormen met een snelheid, ongeveer 50 keer groter dan hun slaperige tegenhangers.

“Vervolgens hopen we  te bepalen of sterrenstelsels heen en weer gaan tussen waken en slapen of dat ze in slaap vallen en nooit meer wakker worden”, aldus Van Dokkum. “We zijn ook geïnteresseerd in hoe lang het duurt tot sterrenstelsels in slaap vallen, en of we één kunnen betrappen terwijl het inslaapt.”

Maar… misschien hebben we de boosdoener al te pakken….

Bronnen
1. Astronomers discover that galaxies are either asleep or awake, Yale University press. comm., (2011)
2. Whitaker, K.  et al., THE NEWFIRM MEDIUM-BAND SURVEY: PHOTOMETRIC CATALOGS, REDSHIFTS AND THE BIMODAL
COLOR DISTRIBUTION OF GALAXIES OUT TO Z ∼ 3, Arxiv.org

Een grote storm (de paarse vlamachtige structuur) maakt korte metten met de gasvoorraad in dit melkwegstelsel. Bron: ESA

‘Galactische stormen vegen sterrenstelsels schoon’

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 10 mei 2011

Het is al tijden een raadsel waarom de kernen van sterrenstelsels zo arm aan gas zijn. Waarnemingen met het PACS instrument aan boord van ESA’s Herschel ruimteobservatorium hebben de dader nu op heterdaad betrapt.

Een grote storm (de paarse vlamachtige structuur) maakt korte metten met de gasvoorraad in dit melkwegstelsel. Bron: ESA
Een grote storm (de paarse vlamachtige structuur) maakt korte metten met de gasvoorraad in dit melkwegstelsel. Bron: ESA

Galactische jeugd eindigt plotseling
In jonge melkwegstelsels (zoals die vlak na het ontstaan van het universum gevormd zijn) worden er veel meer sterren gevormd dan nu. Deze melkwegstelsels lichten fel op door de vorming van kortlevende blauwe reuzensterren. Dan gebeurt er iets, waardoor de stervormingssnelheid plotseling sterk terugvalt en ook het zwarte gat in het centrum veel minder snel groeit.

Sterrenwinden
Het mysterieuze proces slaagt er in, in slechts enkele miljoenen jaren melkwegstelsels schoon te blazen en in één klap tot middelbare leeftijd te brengen.

Waarnemingen van de infrarooddetector en spectrometer PACS aan boord van Herschel hebben nu de oorzaak opgehelderd. Krachtige sterrenwinden, waarschijnlijk opgewekt door de felle stervorming (en vele sterexplosies)  en activiteit van het zwarte gat in het centrum van melkwegstelsels, blazen de melkwegstelsels schoon.

De lichtdruk van de felle straling die vrijkomt bij supernova’s en erupties van zwarte gaten blaast de lichte waterstofmoleculen met ongeveer 1000 km per seconde (drie promille van de lichtsnelheid) uit het melkwegstelsel.

Dit proces werkt zeer snel: per jaar verdwijnen op deze manier ongeveer duizend zonsmassa’s uit het galactische centrum, zodat in een paar miljoen jaar miljarden zonsmassa’s aan materie verdwenen zijn. Precies de hoeveelheid ontbrekend interstellair gas en hiermee de verklaring voor de sterk afnemende stervormingssnelheid.

Moleculaire waterstofwolken
PACS is in staat om straling van moleculair waterstof waar te nemen. Juist deze waterstofsoort maakt stervorming mogelijk. Deze waarneming verklaart ook een andere waarneming: de samenhang tussen de massa van sterren in het centrum van een melkwegstelsel en die van het zwarte gat. Zodra de sterrenwinden het centrum schoon hebben geblazen, wordt de massa van het centrum terugggebracht.

Elliptische melkwegstelsels
De enorme elliptische melkwegstelsels zijn het resultaat van botsingen van spiraalstelsels. In elliptische melkwegstelsels komt nauwelijks stervorming voor. Onderzoekers denken daarom dat soortgelijke effecten elliptische melkwegstelsels hebben schoongeblazen.

Opmerkelijk is ook dat in elliptische melkwegstelsels veel minder donkere materie voorkomt dan in spiraalstelsels. Om die reden vermoeden sommige astronomen dat donkere materie voor een deel uit voor radiotelescopen onzichtbare, koude moleculaire waterstofwolken bestaat. Als dat zo is, is deze moleculaire waterstof waarschijnlijk door de sterrenwinden uit de elliptische melkwegstelsels geblazen.

Bronnen
Sturm, E. et al., Massive molecular outflows and negative feedback in ULIRGs observed by Herschel-PACS, The Astrophysical Journal, 2011; 733 (1)
Caught in the Act: Herschel Detects Gigantic Storms Sweeping Entire Galaxies Clean, Science Daily

De evolutie van het heelal, volgens de tegenwoordige theorieën.

Het Gemini mysterie

9 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 29 maart 2011

Recente waarnemingen aan moeilijke zichtbare verre melkwegstelsels van meer dan tien miljard jaar oud, tonen aan dat deze opmerkelijk rijp zijn voor hun leeftijd. Hoe kunnen zo snel na de Big Bang al doorontwikkelde melkwegstelsels zijn ontstaan? Kloppen onze theorieën wel?

Van dwergstelsel tot megastelsel
Melkwegstelsels komen voor in allerlei soorten en maten. Zo zijn er melkwegstelsels (denk aan de Magellaanse Wolken) die veel kleiner zijn dan het onze. Deze bestaan uit enkele honderden miljoenen sterren. Volgens de op dit moment populaire kosmologische theorieën waren dit (vanaf een miljard jaar na de Big Bang) de eerste melkwegstelsels die ooit gevormd werden. Door vele botsingen van de dwergstelsels vormden ze grotere stelsels. Pas na enkele miljarden jaren vormden deze stelsels zo groot als onze eigen Melkweg.

Redshift desert
Nieuwe waarnemingen van het Gemini Observatory van stelsels in de zogeheten “Redshift desert”, een periode drie tot zes miljard jaar na de Big Bang, zetten dit overzichtelijke plaatje echter totaal op zijn kop. De onderzoekers namen namelijk melkwegstelsels waar die veel ouder waren dan volgens dit populaire model kan. De ouderdom van een melkwegstelsel is onder meer te zien aan de helderheid. In een jong melkwegstelsel vindt heel veel stervorming plaats.

De evolutie van het heelal, volgens de tegenwoordige theorieën.
De evolutie van het heelal, volgens de tegenwoordige theorieën.

Hoe stel je de leeftijd van een melkwegstelsel vast?
De belangrijkste methode is de roodverschuiving meten. Omdat het heelal overal ongeveer even snel uitzet, lijken melkwegstelsels op vele miljarden lichtjaar afstand snel van ons af te bewegen. Als gevolg hiervan wordt hun licht uitgerekt. De mate van uitrekking is te meten. In licht komen namelijk spectraallijnen voor: een soort vingerafdruk van de atomen waar het licht door wordt uitgezonden of wordt geabsorbeerd. Elk los atoom of molecuul heeft een unieke vingerafdruk: het absorptie (of emissie-) spectrum. Zo hebben natriumionen twee karakteristieke heldergele spectraallijnen. De reden dat je een geel licht ziet als je keukenzout (natriumchloride) in een gasvlam laat vallen.  Als deze vingerafdruk plotseling in veel roder licht voorkomt dan normaal, weet de astronoom dat dit object van hem af beweegt.

Dit zegt echter niet veel over de conditie van het melkwegstelsel. Daarvoor kan je beter letten op de lichtverdeling. Als er veel stervorming plaatsvindt, worden er ook veel reuzensterren gevormd. Reuzensterren leven zeer kort, enkele tientallen miljoenen jaren, en zenden veel blauw licht uit. Als gevolg daarvan licht een jong stelsel op als een kerstboom. Als de stervorming stopt, is het ook snel met deze reuzensterren gedaan en treedt het melkwegstelsel een stabielere, ‘rijpere’ fase in. Zo is de stervormingssnelheid in onze eigen Melkweg nog maar een kwart van wat deze miljarden jaren geleden was. In rijpere melkwegstelsels wordt het licht van langlevende zonachtige sterren en rode dwergsterren overheersend. Daarvoor werd dat overstraald door de heldere reuzensterren.

Een tweede techniek is letten op het voorkomen van metalen. Metalen zijn volgens astronomen alle elementen behalve waterstof en helium. In de praktijk dus: alle atomen die niet bij de oerknal gevormd zijn. Sterren vormen tijdens hun bestaan door kernfusie zwaardere elementen. Zo wordt waterstof gefuseerd tot helium, helium tot koolstof enzovoort.   Als het licht van een melkwegstelsel veel sporen van bijvoorbeeld koolstof, zuurstof of ijzer bevat, is dat dus een bewijs dat het al van een gevorderde leeftijd is.

Je kan ook letten op de grootte en vorm. Grote melkwegstelsels (zoals ons eigen stelsel) zijn het resultaat van vele samensmeltingen van dwergstelsels en daarmee vermoedelijk veel ouder dan dwergstelsels. Als een dwergstelsel nooit samensmelt, kan ook dit uiteraard een hoge ouderdom bereiken. Hier zijn meerdere voorbeelden van bekend.

Gemini Deep Deep Survey
Waarnemingen tot nu toe concentreerden zich alleen op de helderste, dus “jongste” melkwegstelsels. Die zijn namelijk het makkelijkst waar te nemen (de lichtzwakke stelsels zijn driehonderd keer zwakker dan het licht van de atmosfeer). Uiteraard levert dat een erg vertekend beeld op. De Gemini telescopen zijn een tweetal volkomen identieke acht-meter spiegeltelescopen, waarvan er één op de vulkaankegel Mauna Kea op Hawaii staat en de andere in Chili. GDDS is een internationaal samenwerkingsverband dat het spectrum onderzocht van driehonderd melkwegstelsels uit de “redshift desert”, waaronder evenredig veel lichtzwakke exemplaren, die astronomen daarvoor maar “even” hebben laten liggen. Daardoor ontstond een realistischer beeld. Naar blijkt, zijn de lichtzwakke stelsels veel rijper dan kan volgens de theorieën. Het gas tussen de sterren in de stelsels bevat veel meer metalen dan verwacht.

Eerste buitenaardse leven veel eerder dan gedacht?
In de buurt van de allereerste sterren konden zich geen planeten vormen, omdat er alleen waterstof en helium bestonden. Metaalrijke stelsels bevatten veel grondstoffen voor planeten: ijzer, silicium, zuurstof. Nu we hebben ontdekt dat ook zeer jonge melkwegstelsels dus planeten konden vormen, zou het leven al snel voet aan de grond moeten hebben gekregen in het universum, al ver voordat de aarde zelfs maar werd gevormd. Zouden onze verre nakomelingen ruïnes van buitenaardse beschavingen kunnen vinden in de buurt van uitgebrande sterren?

Bronnen
Gemini