Spectaculaire sterrenstaarten verklaard

Astronomie In de directe omgeving van de Melkweg bevindt zich een „vreemde verschijning” waar slierten van sterren uit ontsnappen.

Een van de sterrenhopen in de halo van de Melkweg: NGC 362.
Een van de sterrenhopen in de halo van de Melkweg: NGC 362. Foto ESA/Hubble & NASA

Palomar 5, een vreemde bolvormige sterrenhoop in de directe omgeving (‘halo’) van de Melkweg, bestaat uit veel meer zwarte gaten dan tot nu toe werd gedacht. Dat verklaart waarom er twee spectaculaire staarten van sterren aan de sterrenhoop hangen, de opvallende eigenschap waar Palomar 5 om bekend staat. Die conclusie trokken astronomen vorige week in Nature Astronomy op basis van computersimulaties. Belangrijk is dat het team, onder leiding van de Nederlandse sterrenkundige Mark Gieles van de Universiteit van Barcelona, hiermee het antwoord een stapje dichterbij brengt op de vraag hoe de halo van de jonge Melkweg eruit zag.

De Melkweg, het spiegeleivormig sterrenstelsel dat honderden miljarden sterren – inclusief de zon – huisvest, wordt omringd door een halo. Dat is een uitgestrekt, bijna bolvormig gebied met een diameter van zo’n honderdduizend lichtjaar, dezelfde diameter als de Melkweg zelf. In die halo zitten ook sterren, maar de dichtheid van materie is er veel lager dan in de Melkweg.

De sterren in de halo cirkelen rondjes om de Melkweg en sommige trekken op in groepjes: de bolvormige sterrenhopen. Die groepen sterren worden bij elkaar gehouden door de zwaartekracht. In totaal zijn er ongeveer honderdvijftig bolvormige sterrenhopen in de halo.

Over een miljard jaar bestaat het cluster alleen nog uit zwarte gaten

Palomar 5 is het buitenbeentje onder die bolvormige sterrenhopen. Ten eerste omdat hij nogal ‘wollig’ is: hij is ongeveer tien keer minder massief en vijf keer groter dan een typische bolvormige sterrenhoop. Ten tweede omdat astronomen er slierten van sterren uit zien ontsnappen. Op zich is dat laatste niet zo gek. Er zijn meer sterrenhopen in de halo gevonden met staarten van vluchtende sterren. Door de onderlinge interactie tussen sterren in de groep en door de aantrekkingskracht van de Melkweg, zwiept er zo nu en dan een ster uit. Die sterren ontsnappen één voor één in een lange rij uit het cluster, waardoor het eruitziet als een staart. Maar de twee staarten van Palomar 5 zijn verreweg de helderste slierten die aan een sterrenhoop gekoppeld zijn in de halo. Ook zijn ze opvallend groot: ze strekken zich duizenden lichtjaren uit. Dit riep bij astronomen al langer de vraag op hoe het kan dat Palomar 5 er zo anders uitziet dan de andere sterrenhopen in de halo.

Om die vraag te beantwoorden, modelleerde het team de levensloop van het cluster vanaf zijn geboorte tot zijn einde. Ze veranderden de beginwaardes van het model tot ze overbleven met een sterrenhoop die overeenkomt met de werkelijke Palomar 5.

Het cluster begon met een fractie sterren en zwarte gaten (restanten van overleden zware sterren) zoals je zou verwachten in zo’n bolvormige sterrenhoop. Maar de lage dichtheid en de omgeving van de jonge Palomar 5 zorgde ervoor dat sterren makkelijker uit het cluster ontsnapten dan zwarte gaten. Dat volgde uit de modelsimulaties. Geleidelijk nam hierdoor het aandeel zwarte gaten toe. Zwarte gaten zijn nu verantwoordelijk voor zo’n 20 procent van de massa van Palomar 5. Dat is drie keer zo veel als astronomen tot nu toe verwachtten. Die zwarte gaten hebben allemaal ongeveer twintig keer de massa van de zon. Ter vergelijking: Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van de Melkweg, is zo’n vier miljoen keer zo zwaar als de zon. Over ongeveer een miljard jaar bestaat het cluster alleen nog maar uit zwarte gaten.

Versnelde katapultinteracties

Palomar 5 wordt door de ontsnappende sterren steeds kleiner en de zwarte gaten en overgebleven sterren bewegen steeds dichter naar elkaar toe. Dat naar elkaar toe bewegen, versterkt de katapultinteracties tussen de objecten: er ontsnappen steeds meer sterren en de staart wordt steeds langer en helderder.

„Astronomen wisten al dat Palomar 5 een bijzondere verschijning is, maar nu weten we eindelijk waarom”, zegt Eduardo Balbinot, postdoc aan de Rijksuniversiteit Groningen en co-auteur van de studie. Hij doet al twaalf jaar lang onderzoek naar Palomar 5.

De astronomen keken overigens niet alleen naar Palomar 5 om het gevaarte zelf beter te begrijpen. Volgens de onderzoekers onthult het de oorsprong van de verdwaalde dunne sterrenslierten in de halo die astronomen de afgelopen jaren vonden. Die slierten zijn niet gekoppeld aan een sterrenhoop, maar cirkelen als bijenzwermen door de halo. Door de smalle breedte van de slierten vermoedden astronomen al dat de slierten uitgeworpen zijn uit bolvormige sterrenhopen in de jongere halo. Maar de sterrenhopen waar de slierten van afstammen, zijn allang verdwenen, waardoor het een raadsel bleef hoe die sterrenhopen er toen uit zagen. Palomar 5 is de enige sterrenhoop in de halo die nu staarten vormt die duidelijk genoeg zijn om te bestuderen.

„Echt een mooi resultaat”, zegt Christiaan Brinkerink. Hij sterrenkundige aan de Nijmeegse Radboud Universiteit en niet bij de studie betrokken. Hij is vooral onder de indruk dat het team de dynamiek van een relatief klein sterrencluster zo ver buiten de Melkweg in kaart heeft gebracht. „Vroeger dachten astronomen dat de halo saai en rustig was, omdat er relatief weinig materie is. Maar dat is het dus niet. Wanneer je inzoomt, gebeurt er juist heel veel.”

„De Melkweg-halo is opgebouwd uit allemaal kleine sterrenstelsels”, zegt Balbinot. „En bolvormige sterrenhopen zijn vermoedelijk weer restanten van die kleine stelsels. De laatste broodkruimels, de sterrenslierten, maken hetzelfde rondje als de bolvormige sterrenhopen waar ze vandaan komen. Het inzoomen op de slierten in de halo draagt bij aan de kennis over het grotere plaatje: de vorming van de Melkweg-halo.”