In een baan om de Melkweg

Het oude standaardmodel voor het ontstaan van de melkwek, uit één uniforme gaswolk, gaat niet meer op. Rondcirkelende sterbollen wijzen op een veel geleidelijker proces.

Astronomen hebben in de afgelopen jaren rond het melkwegstelsel vele `fossielen' gevonden waaruit kan worden afgeleid hoe dit stelsel is ontstaan. Deze fossielen bestaan uit kudden sterren die rond het melkwegstelsel bewegen en de overblijfselen blijken te zijn van de oorspronkelijke bouwstenen van dit stelsel. Zij hebben de theorie van het ontstaan van het melkwegstelsel nu letterlijk omgedraaid. Dit stelsel ontstond niet in één keer door de snelle samentrekking van één gigantische oerwolk, maar door het geleidelijk samensmelten van een groot aantal kleinere structuren.

Het meest opvallende deel van het melkwegstelsel is de relatief dunne, spiraalvormige schijf met zijn centrale verdikking. Vrijwel alle sterren die we in de lichtende band van de Melkweg zien, behoren tot deze schijf en de bulge, de verdikking. Hij heeft een diameter van ruwweg 100.000 lichtjaar en wordt omringd door een min of meer bolvormig gebied met veel meer verspreid staande sterren en bolvormige sterrenhopen: opeenhopingen van ruwweg 100.000 sterren die in zeer langgerekte baan rond het melkwegcentrum bewegen. Deze halo heeft een diameter van ongeveer 500.000 lichtjaar.

Lange tijd is gedacht dat het melkwegstelsel is ontstaan door het onder invloed van zijn eigen zwaartekracht samentrekken van één betrekkelijk uniforme protogalactische gaswolk. Tijdens deze samentrekking, die volgens het `standaardmodel' van Olin Eggen, Donald Lynden Bell en Allan Sandage slechts honderd miljoen jaar zou hebben geduurd, zou het stelsel zijn afplatting en rotatie hebben gekregen en ontstonden in de halo de bolvormige sterrenhopen. De stervorming in de schijf kwam later op gang.

Contractie

Naarmate er meer details van het melkwegstelsel werden waargenomen, bleek deze theorie van de monolithische contractie echter steeds minder te voldoen. Daar kwam bij dat verfijndere, hydrodynamische modellen van het ontstaan van sterrenstelsels uit koude, donkere materie suggereerden dat deze structuren in de loop van miljarden jaren konden zijn gevormd door het geleidelijk samensmelten van een groot aantal kleinere bouwstenen. Deze modellen worden nu bevestigd door waarnemingen in het zeer diepe – en dus zeer jonge – heelal, waar dit proces van versmelting inderdaad blijkt plaats te vinden.

Zouden ook bij ons oude melkwegstelsel nog tekenen van dit proces zijn te vinden? De astronomen wezen al snel in de richting van de satellietstelsels die rond het melkwegstelsel draaien. Zij zouden wel eens de laatste bouwstenen kunnen zijn die nog aan het proces van versmelting zijn ontsnapt. Een belangrijke steun voor deze opvatting was de ontdekking, in 1994 door de Britse astronoom Rodrigo Ibata, van een langgerekte wolk sterren dicht bij het melkwegcentrum. Dit blijkt een satelliet die door het melkwegstelsel uiteen wordt getrokken en opgeslokt: een soort levend fossiel uit de galactische prehistorie.

De eerste waarnemingen lieten zien dat de wolk aan de hemel ongeveer 15° lang was, maar in de afgelopen jaren zijn op veel grotere afstanden sterren gevonden die van dit stelsel komen. Nu wordt aangenomen dat de overblijfselen zich langs de gehele omloopbaan uitstrekken en zo een ring rond het melkwegstelsel vormen die vrijwel loodrecht op het hoofdvlak staat. Ook de andere, eerder ontdekte satellietstelsels zullen waarschijnlijk een keer door het melkwegstelsel worden opgeslokt.

In 1999 ontdekten astronomen van de Leidse Sterrewacht op een andere plaats aan de hemel een kudde sterren die ook in een sterk gehelde baan rond de melkweg bewoog en op de sporen van een verdwenen satelliet wees. Sindsdien zijn op vele plaatsen in de halo rond het melkwegstelsel zulke sporen van verdwenen begeleiders gevonden. Astronomen ontdekken deze fossielen door te zoeken naar overeenkomsten in de snelheden en spectrale eigenschappen van sterren, of door te zoeken naar gebieden waar sterren veel dichter bij elkaar staan dan gemiddeld. Dit onderzoek vergt veel tijd, omdat er miljoenen sterren moeten worden bekeken. Belangrijke data-leveranciers zijn onder andere de Sloan Digital Sky Survey en de Europese satelliet Hipparcos.

Het meest opmerkelijke `fossiel' is wellicht de ring van sterren die onlangs door twee groepen astronomen (onder leiding van Rodrigo Ibata en Brian Yanni) vlak buiten de schijf van het melkwegstelsel is ontdekt. De ring heeft een straal van 60.000 lichtjaar, is ongeveer 10.000 lichtjaar breed en bestaat uit honderden miljoenen sterren. Misschien gaat het ook hier om de overblijfselen van een satellietstelsel dat door het melkwegstelsel uiteen werd getrokken en over een groot gebied verspreid – net zoals het uiteenvallen van een maan van Saturnus tot de fraaie ring rond deze planeet heeft geleid. De ontdekking werd begin januari bekendgemaakt tijdens het jaarlijks congres van de American Astronomical Society in Seattle en de twee publicaties erover staan al op internet.

Andere herkomst

Astronomen denken nu dat ook een deel van de ongeveer 150 bolvormige sterrenhopen die in de halo rond het melkwegstelsel draaien fossielen van de bouwstenen van dit stelsel zijn. De meeste hopen zijn heel oud en ontstonden in de beginfase van de vorming van het melkwegstelsel, maar sommige zijn betrekkelijk jong en wijzen op een andere herkomst. Van minstens vijf bolhopen is nu aangetoond dat ze afkomstig zijn van het Sagittarius-stelsel. Eén van hen, M54, was wellicht de kern van dit stelsel en een andere, Palomar 12, blijkt zelfs nog omringd door een wolk van sterren die hij uit Sagittarius heeft losgetrokken. Ook Omega Centauri, de helderste bolhoop aan de hemel, heeft waarschijnlijk tezamen met twee andere hopen ooit tot een inmiddels verdwenen bouwsteen van het melkwegstelsel behoord.

Ondanks hun grote compactheid en sterke interne gravitatie hebben bolhopen niet het eeuwige leven. Als hun baan hen door het hoofdvlak van het melkwegstelsel voert, kunnen er door getijdenwerking sterren uit worden losgetrokken die zich dan langs de baan gaan verspreiden. Dit zou kunnen betekenen dat een groot deel van de sterren die nu in de uitgestrekte halo rond het melkwegstelsel bewegen ooit tot bolhopen hebben behoord.

Meer sterren

Het eerste, spectaculaire voorbeeld van zo'n spoor van sterren van een bolhoop is de lange sliert van sterren die twee jaar geleden door astronomen van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg bij de bolhoop Palomar 5 werd ontdekt. Deze sliert blijkt zelfs meer sterren te bevatten dan er nu nog in de bolhoop zitten. Volgens de nieuwste berekeningen van Michael Odenkirchen zal de bolhoop over zo'n 100 miljoen jaar op een afstand van slechts 20.000 lichtjaar langs het melkwegcentrum bewegen en daarbij wellicht geheel uiteenvallen.

De ontdekking van al deze `fossielen' rond het melkwegstelsel bevestigt dat dit stelsel in de loop van miljarden jaren door samensmelting en oplossing van kleinere bouwstenen is ontstaan en ook nu nog langzaam groeit. De vraag is nu niet meer of het proces van geleidelijke accretie een rol heeft gespeeld, maar hoeveel procent van ons melkwegstelsel door dit proces is ontstaan', aldus Heather Morrison in The Dynamics, Structure & History of Galaxies (2002).

Astronomen kijken inmiddels alweer uit naar de tijd waarin geavanceerde astrometrie-satellieten worden gelanceerd waarmee van honderden miljoenen sterren de posities, bewegingen en spectrale eigenschappen kunnen worden gemeten, zoals de Europese GAIA (2009) en de Amerikaanse SIM (2009). Hiermee worden wellicht honderden tot duizenden sterrenstromen rond het melkwegstelsel gevonden: fossielen waarmee de evolutie van dit stelsel nog beter kan worden gereconstrueerd en de theorie van het ontstaan van sterrenstelsels nog beter kan worden getoetst.