De oerknal ebt langzaam weg in het heelal. Wolken van gas en stof storten in onder hun eigen zwaartekracht tot de inferno’s die we sterren noemen. Uit de brokstukken ontstaan planeten.
Een grote wolk van sterren, planeten en nog meer gas en stof wordt door de zwaartekracht tot een gigantische spiraal gevormd. Veel kleinere wolken sluiten zich er gedurende miljarden jaren bij aan, en in het midden ontstaat een verdikking: de Melkweg is geboren.
Zo kennen de meeste astronomen de geschiedenis over het ontstaan van onze Melkweg, maar uit nieuwe vondsten van bolhopen – oude groepen sterren – blijkt dat het er veel heviger en verrassender aan toe ging.
Veel sterrenstelsels met hun sterren, planeten, gas en stof zijn met waanzinnige snelheden op elkaar geknald, en de vorming van de Melkweg gebeurde in omgekeerde volgorde van wat we dachten: de verdikking in het midden was er het eerst.
De sterrenvondsten kunnen astronomen overigens ook helpen om de kans op leven in andere zonnestelsels in kaart te brengen.
Eén stelsel wordt biljoenen
Onze zon is maar één van de honderden miljarden sterren, die samen met gas en stof de Melkweg vormen. Ons sterrenstelsel draait om andere sterrenstelsels in clusters, die weer om elkaar draaien in superclusters, de grootst bekende structuren in het heelal.
De nieuwste berekeningen laten zien dat er in circa 10 miljoen superclusters 2 biljoen sterrenstelsels zijn in het zichtbare heelal, en dat terwijl we niet al te lang geleden dachten dat er maar één van was.
Circa 100 jaar geleden geloofden de astronomen dat het heelal alleen bestond uit ons eigen stelsel, de Melkweg. Dit sterrenstelsel werd gevormd door sterren en planeten, en door nevels van stof en gas.
Maar toen astronoom en kosmoloog Edwin Hubble in 1923 nevels buiten de Melkweg vond, was bewezen dat er meer stelsels zijn.
Meteen gingen de astronomen na hoe al die stelsels zijn ontstaan en waarom ze er zo verschillend uitzien.
Sinds 1923 hopen ze het raadsel van de geboorte en ontwikkeling van de sterrenstelsels op te lossen door de alleroudste in het heelal te onderzoeken.
Spiralen zijn de wildebrassen van het heelal
Spiraalstelsels als de Melkweg vormen de meeste nieuwe sterren en zijn wispelturiger dan andere stelsels. Een model van Edwin Hubble onderscheidt drie hoofdtypen stelsels.
Spiraalstelsels
Gas en stof verzamelen zich in spiraalarmen, waaruit nieuwe sterren ontstaan; daarom zijn spiraalstelsels zo dynamisch.
Onregelmatige stelsels
Deze stelsels hebben geen vaste vorm en draaien vaak om grotere stelsels. Ze tellen veel minder sterren dan andere stelseltypen.
Elliptische stelsels
Stelsels met deze vorm zijn de grootste die we kennen. In elliptische stelsels zijn veel van de sterren zeer oud.
Licht geeft ouderdom stelsels prijs
Astronomie gaat vooral over het opvangen van licht met telescopen en het analyseren waar het vandaan komt. Of beter gezegd: van hoe ver het komt.
Het licht reist met 299.792.458 m/s, maar het heelal is zo groot dat het licht van verre stelsels er miljarden jaren over doet om onze telescopen te bereiken. Hoe langer de astronomen in het heelal kijken, hoe verder terug in de tijd ze zien.
Kijkje op het verleden
SPT0615-JD is een van de verste sterrenstelsels die we hebben gevonden. Zijn licht werd 13,3 miljard jaar geleden uitgestraald, toen het heelal kosmisch gezien piepjong was: 500 miljoen jaar oud.
De oudste sterrenstelsels ontstonden een paar honderd miljoen jaar nadat het heelal bij de oerknal was gevormd.
De eerste waren klein, maar veel sterrenstelsels die we nu in onze omgeving zien, zijn veel groter.
Daarom moeten de sterrenstelsels in de loop van de tijd gegroeid zijn.
Verre stelsels zijn rood, nabije stelsels zijn blauw
Hoe verder weg stelsels zijn, des te sneller ze van ons af bewegen, want het heelal dijt uit. Licht van verre stelsels wordt daardoor ‘uitgerekt’ in langere golflengten. Doordat langere golflengten rood zijn, is het licht van verre stelsels ook rood.
Licht van stelsels die op ons afkomen, wordt als het ware samengeperst tot kortere golflengten, die blauw zijn. Door een soortgelijk verschijnsel klinkt de sirene van een ambulance hoger als hij nadert en lager als hij wegrijdt.
Sterrenstelsels zijn er in alle soorten en maten. Onze Melkweg is bijvoorbeeld een spiraalstelsel dat continu nieuwe sterren baart: gemiddeld wel zeven per jaar. Sterren ontstaan als wolken van gas en stof zich samenpakken.
Elliptische sterrenstelsels brengen daarentegen weinig sterren voort, omdat ze niet zoveel gas en stof bevatten.
De Melkweg ziet eruit als een spiegelei met een verdikking (de dooier) in een grote, platte schijf (het eiwit).
Onze ster, de zon, en de rest van ons zonnestelsel bevinden zich halverwege in een van de spiraalarmen. In het centrum is de concentratie sterren veel groter, en precies middenin is er een zwart gat, Sagittarius A* geheten, met een massa van ruim 4 miljoen keer de zonnemassa.
Ons zonnestelsel doet circa 250 miljoen jaar over één rondje om het centrale zwarte gat. De onderzoekers hebben al deze kenmerken in kaart gebracht, maar weten nog niet hoe de Melkweg er zo uit is komen te zien.
Botsing brengt kenmerken voort
Botsingen tussen sterrenstelsels hebben de Melkweg mede gevormd.
Begin 2019 vonden onderzoekers van het LOFAR-project (Low Frequency Array) 300.000 sterrenstelsels op grote afstand, waarvan er verscheidene aan het botsen waren en opgingen in grotere stelsels.
Volgens de onderzoekers is ook de Melkweg op die manier groter geworden.
250 miljoen jaar doet ons zonnestelsel over een heel rondje om het centrum van de Melkweg.
Onderzoekers willen nu door radiogolven uit het verre heelal op te vangen bekijken of de jonge, kleine sterrenstelsels al heel eigen kenmerken vertonen.
Dat zou betekenen dat grotere sterrenstelsels die uit de botsing van kleinere stelsels ontstaan, zich ook op hun eigen manier ontwikkelen.
Verschillen tussen kleine, jonge sterrenstelsels zouden ons dus een mogelijke verklaring kunnen bieden voor de gigantische diversiteit aan constellaties die we vandaag de dag met onze telescopen zien – en voor de manier waarop de Melkweg zich heeft ontwikkeld.
Andromeda nadert zeer snel
We kunnen Andromeda nu net met het blote oog zien, maar over een paar miljard jaar is het stelsel zo dichtbij dat het een groot deel van de nachthemel vult.
Stelsels knallen op elkaar
Andromeda botst op de Melkweg. De gassen in de botsende stelsels persen waterstof samen, waardoor er uiteindelijk nieuwe sterren ontstaan.
Gasbotsing vormt vele sterren
Door de zwaartekracht van de stelsels trekken de gaswolken zich nog meer samen en de stervorming is op z’n hoogst. Nieuwe sterren zijn blauw, oude zijn rood.
Stelsels dansen om elkaar heen
De stelsels hebben zo’n vaart dat ze even langs elkaar schieten, tot de zwaartekracht ze weer bijeenbrengt. Die bewegingen vervormen de sterrenstelsels.
Gas is op en stelsels gaan samen
De stelsels hebben hun gas nu bijna helemaal in de stervorming gestoken. De grote bewegingen zijn voorbij. Sterren en planeten verzamelen zich langzaam.
‘Melkomeda’ sterft
Het materiaal van de stelsels zit nu in één groot stelsel: ‘Melkomeda’. Er ontstaan geen sterren meer, dus in astronomisch opzicht is het stelsel dood.
Metaal geeft ouderdom prijs
Het mysterie van de Melkweg valt niet op te lossen door alleen de kleine sterrenstelsels te bekijken. Hieruit kunnen de onderzoekers wel opmaken dat de Melkweg waarschijnlijk door de botsingen van stelsels is ontstaan, maar niet meer dan dat.
Als de astronomie de hele geschiedenis van de Melkweg moet achterhalen – het aantal botsingen dat er is geweest en wanneer en hoe deze hebben plaatsgevonden –, moeten we kijken naar de ouderdom van de delen van ons stelsel.
Om de ouderdom van een sterrenstelsel te bepalen, kijken astronomen wanneer de sterren zijn gevormd. Dit leiden ze af uit de verdeling van elementen in de sterren.
Sterren bestaan voornamelijk uit helium en waterstof, maar gedurende hun bestaan worden er binnenin zwaardere elementen gevormd: metalen. Wanneer sterren sterven, verspreiden deze zwaardere elementen zich in de ruimte en worden ze deel van nieuwe sterren.
De allereerste sterren hadden geen zware elementen in hun buitenlagen, maar de volgende generatie wel; in beperkte mate althans, dus die noemen we metaalarme sterren.
Later zijn er steeds meer zware elementen bijgekomen, en de nieuwste sterren noemen we metaalrijke sterren, met onze zon als bekendste voorbeeld.
Als een deel van een sterrenstelsel veel metaalarme sterren bevat, is het dus ouder dan een deel met veel metaalrijke sterren.
Bolhopen zijn levende fossielen
Veel metaalarme sterren die we kennen zijn te vinden in zogeheten bolhopen. Dat zijn groepen van sterren die bijeengehouden worden door de zwaartekracht en hun hele leven lang bij elkaar blijven.
Aangezien de metaalarme sterren erg oud zijn, moeten de bolhopen wel tot de oudste ‘bouwwerken’ in het universum behoren.
De nauwe band tussen de sterren in de bolhopen is een goudmijn voor het onderzoek naar sterrenstelsels. De sterren in de hopen ontstaan tegelijkertijd maar hebben verschillende massa’s.
Aan de hand daarvan brachten de onderzoekers in kaart hoe de ontwikkeling van sterren gerelateerd is aan hun grootte.
Supertelescoop zoekt naar de alleroudste sterrenstelsels
Met een nieuwe reuzentelescoop kunnen we veel verdere sterrenstelsels zien dan nu. Omdat het licht langer gereisd heeft, zien we de stelsels vroeger in hun vorming. Daarmee kunnen we ook de oudste sterrenstelsels van het heelal zien.
De telescoop ELT kan verder het heelal in kijken doordat hij met zijn diameter van 39 meter veel zwakker licht kan opvangen dan vandaag de dag mogelijk is.
Ook kan hij beelden met een veel grotere resolutie maken. Onderzoekers denken in 2025 te kunnen beginnen met de eerste observaties met de telescoop.
Kleine sterren zijn roodachtig en vrij zwak, terwijl de grotere fel schitteren en blauwig zijn. De rode sterren leven het langst, misschien wel biljoenen jaren.
Het heelal is nog niet zo oud dat ze al sterven. Rode bolhopen zijn dus oud, want de blauwe sterren zijn miljarden jaren terug gedoofd.
Als de astronomen bolhopen met rode sterren vinden, zijn ze op de oudste delen van een sterrenstelsel gestuit en kunnen ze bepalen of de bobbel in het midden of juist de schijf daaromheen het eerst is ontstaan.
Daarom worden bolhopen ‘levende fossielen van de sterrenstelselvorming’ genoemd.
De Melkweg bevat meer dan 150 bekende bolhopen. De astronomen weten dat een deel van de Melkweg is ontstaan doordat gas en stof na de oerknal instortten onder de zwaartekracht.
De 150 bolhopen draaien echter niet even snel rond het midden van het stelsel, en sommige draaien in een iets afwijkende hoek. De bolhopen die de schijf volgen, zijn vroeg gevormd, samen met de rest van de Melkweg, en de bolhopen die de schijf niet volgen, zijn er later bij gekomen.
De grote vraag is nu welke delen van onze Melkweg het eerst werden gevormd.
De bolhoop M80 bevindt zich tussen ons zonnestelsel en het hart van de Melkweg. M80 is een van de bolhopen met de allermeeste sterren.
Aan sterrengroepen kunnen we rust en chaos aflezen
Bolhopen zijn groepen sterren die zo dicht bij elkaar liggen dat de zwaartekracht ze bijeenhoudt als een hechte familie.
Ze blijven hun hele leven bij elkaar, en daarom zijn het waarschijnlijk enkele van de oudste sterrengroepen in het heelal.
De Melkweg heeft circa 150 bekende bolhopen, terwijl het naburige stelsel Andromeda er 500 telt. Het grootste aantal bolhopen heeft het spiraalstelsel M87: wel 10.000.
De bewegingen van de bolhopen zijn te gebruiken om de grootte van een sterrenstelsel te berekenen op het moment dat de hopen begonnen te cirkelen. Hoe kleiner een stelsel was, hoe meer bolhopen het hebben kunnen beïnvloeden.
De richting en snelheid van de hopen geven aan of er in het verleden ook botsingen zijn geweest.
Als het stelsel een veelbewogen leven heeft gehad met veel botsingen tussen sterrenstelsels, zullen de bolhopen chaotisch bewegen, maar als de ontwikkeling kalmer verliep, is het waarschijnlijk dat de hopen de bewegingen van de rest van het stelsel volgen.
Eidooier komt vóór het eiwit
Toen de astronoom Denilso Camargo foto’s publiceerde van vijf pas gevonden bolhopen, spitsten de astronomen hun oren, want de bolhopen bevinden zich allemaal dicht bij de bobbel in het midden van de Melkweg. De bolhopen zijn 12,5 à 13,5 miljard jaar oud, wat betekent dat al hun sterren metaalarm zijn.
En dat is heel verrassend, want dit type bolhoop vind je meestal veel verder weg van het centrum van de Melkweg.
De metaalarme bolhopen midden in de Melkweg geven aan dat eerst de centrale bobbel, de ‘eidooier’, is gevormd, en niet de spiraalarmen (het ‘eiwit’). De bobbel doet denken aan een klein, elliptisch stelsel, dus wellicht is de Melkweg begonnen met een andere vorm.
De volgende vraag is hoe het elliptische stelsel ontstond.
De bewegingen van de pas gevonden bolhopen duiden erop dat veel sterrenstelsels zijn gebotst en de ‘baby-Melkweg’ hebben gevormd, die later spiraalarmen kreeg.
Deze theorie staat in contrast met wat astronomen tot dusver dachten: dat de buitenkant van de Melkweg een versmelting van kleine sterrenstelsels is en dat de verdikking pas van later datum is.
De vijf bolhopen duiden dus op een roeriger verleden van de Melkweg dan de eerdere waarnemingen ons deden vermoeden.
Leven in ruimte is ouder dan aarde
De ontwikkeling van sterrenstelsels is niet alleen een kwestie van sterrenvorming en het ontstaan van grote structuren. Het gaat ook over de voorwaarden van het leven zelf. Met nieuwe sterren worden er namelijk ook planeten gevormd.
De ontdekking van de bolhopen laat zien dat er miljarden jaren geleden veel vaker sterren ontstonden, dus je kunt er donder op zeggen dat er toen ook meer planeten zijn gevormd.
Méér planeten betekent ook: meer kans op planeten zoals de aarde. Als het leven ontstaat zodra een planeet het kan ondersteunen, zal buitenaards leven (als het al bestaat) dus voor het grootste deel ontstaan zijn lang voordat de aarde vorm kreeg.
Verdiep je in het onderzoek naar sterrenstelsels
LOFAR is een enorm antennesysteem waarmee wetenschappers radiogolven uit de ruimte analyseren. Hier lees je meer over het project: http://www.lofar.org/