Hongerige halo

Sterrenstelsels hebben zich vaak gevormd door geleidelijke samensmelting van een groot aantal begeleiders. De lichtende kring (halo) rond sterrenstelsels bevat ten minste voor een deel de resten van die begeleiders.

Amerikaanse astronomen hebben ontdekt dat melkwegstelsels van zeer uiteenlopende typen en helderheden omringd worden door een zeer ijle, maar ook zeer uitgestrekte halo van hoog geïoniseerde koolstofatomen. Zo'n halo verraadt zich doordat hij het licht van quasars die er op heel grote afstanden achter staan op bepaalde golflengten absorbeert. De koolstof kan alleen zijn ontstaan in het inwendige van sterren en bevestigt dat al deze melkwegstelsels zijn gehuld in het puin van begeleiders die zij in de loop der tijd hebben opgeslokt.

In het spectrum van quasars de heldere, puntvormige kernen van extreem verre melkwegstelsels zijn vaak donkere lijnen te zien. Deze absorptielijnen ontstaan niet in de quasars zelf, maar in materie die zich ergens tussen de quasars en de aarde bevindt. De lijnen zijn daarom belangrijke hulpmiddelen bij het onderzoek naar objecten ver weg in het heelal die te weinig licht uitzenden om zichtbaar te zijn. Uit de kenmerken van de absorptielijnen kunnen de aard, dichtheid, temperatuur en snelheid van de samenstellende atomen worden afgeleid.

De eerste absorptielijnen, ontdekt in het begin van de jaren zeventig, waren die van waterstof. Hoewel al snel werd vermoed dat deze zogeheten Lyman-alfalijnen in of bij sterrenstelsels ontstaan, bleek dat heel moeilijk te bewijzen. De Amerikaanse astronomen Kenneth Lanzetta en Hsiao-Wen Chen zochten naar een mogelijk verband tussen de afstanden van Lyman-objecten en sterrenstelsels (in dezelfde richting in het heelal). In 1995 ontdekten zij dat op de afstand van zo'n Lyman-object meestal ook een sterrenstelsel staat dat de absorpties veroorzaakt.

Vaak staat het stelsel aan de hemel niet precies vóór maar naast de quasar. Dit wijst er op dat het stelsel wordt omringd door een uitgestrekte halo van waterstofgas (en mogelijk andere elementen): vele malen groter dan het stelsel zelf. Het bestaan van zo'n donkere halo was overigens al eerder gesuggereerd om het `tekort' aan massa in sommige sterrenstelsels te verklaren. De zichtbare materie in een sterrenstelsel draait vaak sneller rond de kern dan op grond van zijn massa wordt berekend. Er moet dus meer materie zijn dan we kunnen zien.

Sommige quasarspectra vertonen behalve waterstoflijnen ook lijnen van andere elementen die door astronomen met de verwarrende naam `metalen' worden aangeduid. Ook deze elementen blijken zich te bevinden in halo's rond melkwegstelsels die vele malen groter zijn dan de stelsels zelf. Zo kan de absorptie van éénmaal geïoniseerd magnesium soms tot op 150.000 lichtjaar van een sterrenstelsel worden waargenomen. Deze elementen kunnen niet, zoals waterstofgas, uit de oertijd van het sterrenstelsel dateren. Alle elementen zwaarder dan helium moeten in een later stadium zijn geproduceerd door sterren, maar waar bevinden (of bevonden) die zich dan?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden hebben Lanzetta en Chen ook de absorptie van quasarlicht door driemaal geïoniseerd koolstof rond sterrenstelsels bestudeerd. Ook de absorptie van dit gas kon in de jaren negentig in enkele gevallen met een melkwegstelsel in verband worden gebracht, maar daar bleef het verder bij. Lanzetta en Chen hebben in de afgelopen jaren talloze objecten van koolstofabsorptie met behulp van fotografische en spectroscopische waarnemingen van de Hubble Space Telescope gedetailleerd in kaart gebracht.

In de Astrophysical Journal van 20 juli laten de twee astronomen zien dat de koolstofabsorptie plaatsvindt in de halo van melkwegstelsels van zeer uiteenlopende typen en helderheden. De koolstofhalo's hebben een straal van ten minste 325.000 lichtjaar. Deze reusachtige omvang maakt het hoogst onwaarschijnlijk dat dit gas door de sterren in de sterrenstelsels zelf is geproduceerd en naderhand naar buiten is geblazen. In dat geval zou het gas niet verder dan zo'n 70.000 lichtjaar zijn gekomen. Ook de productie door een allereerste generatie van sterren rond het sterrenstelsel-in-wording biedt weinig soelaas. Volgens Lanzetta en Chen moet het gas van vroegere satellietstelsels komen.

Recente theorieën over het ontstaan van sterrenstelsels suggereren dat vele daarvan in de loop van miljarden jaren zijn ontstaan door de geleidelijke samensmelting van een groot aantal kleinere voorlopers of begeleiders. Dit zou impliceren dat de huidige halo rond zulke stelsels op z'n minst voor een deel uit de overblijfselen van zulke slachtoffers bestaat. Een voorbeeld daarvan zien we bij ons melkwegstelsel, dat momenteel bezig is zijn meest nabije begeleider, het dwergstelsel Sagittarius, uiteen te trekken. Ook de tien andere begeleiders van het melkwegstelsel ondergaan in een verre toekomst waarschijnlijk dit lot.

Sporen van dit opslokproces in ons melkwegstelsel lijken astronomen nu ook te zien in de sterren die in heel afwijkende banen, met zeer grote hoeken ten opzichte van het hoofdvlak van het melkwegstelsel, bewegen. Twee jaar geleden ontdekten astronomen van de Leidse Sterrewacht een groep sterren die het overblijfsel van een verdwenen begeleider zou kunnen zijn. De baaneigenschappen van deze groep, die een geschatte omlooptijd van 400 miljoen jaar heeft, doet denken aan die van het Sagittarius-stelsel.

LANGE SLIERT

Op 5 juli j.l. berichtten Europese astronomen in Nature een lange sliert van zulke fossiele sterren te hebben gevonden in de halo rond het Andromedastelsel: de meest nabije grote broer van ons melkwegstelsel. Volgens de schattingen van deze astronomen, onder wie Anette Ferguson van het Kapteyn Instituut in Groningen, zou de gehele halo van het Andromedastelsel ontstaan kunnen zijn door het opslokken van satellietstelsels, waarvan er overigens nu nog een dozijn `in voorraad' rondcirkelt.

Bij sterrenstelsels op veel grotere afstanden zijn de fossiele sterren van opgeslokte begeleiders natuurlijk veel te zwak om te kunnen worden waargenomen, maar kan het gas dat de begeleiders met zich meevoerden wel in beeld worden gebracht. Dat maakt het des te aannemelijker dat de door Lanzetta en Chen ontdekte wolken van koolstof en andere elementen die in sterren moeten zijn geproduceerd rond sterrenstelsels ook `fossielen' van vroegere begeleiders zijn. En dat versterkt weer de theorie dat grotere melkwegstelsels veelal ontstaan door het successievelijk opslokken van hun buren.