Hoe is de Melkweg ontstaan? Satelliet Gaia is wellicht de enige die het ons kan vertellen.

Veel astronomen hebben meer dan 20 jaar uitgekeken naar de publicatie van de eerste Gaia-gegevens. Dat is geen wonder: het lijkt namelijk goed mogelijk om met de gegevens van deze satelliet belangrijke vraagstukken over de Melkweg, het sterrenstelsel waar wij in wonen, op te lossen. Al in 2000, toen de Gaia-missie in het programma van ESA opgenomen werd, was het duidelijk dat dit de enige astronomische satelliet is waarmee wellicht de meest belangrijke vraag beantwoord kan worden: hoe is de Melkweg ontstaan? Amina Helmi, astronoom aan de Rijksuniversiteit Groningen, vertelt wat de satelliet ons tot op heden verklapt heeft.

De Grote Magelhaense Wolk, een klein sterrenstelsel en satelliet van ons melkwegstelsel op een afstand van ongeveer 160.000 lichtjaar. Het melkwegstelsel heeft waarschijnlijk in de loop van zijn geschiedenis veel van dit soort sterrenstelsels opgeslokt. Afbeelding: ESO / S. Brunier.

Kannibalisme onder sterrenstelsels
Een belangrijke voorspelling van moderne theorieën over het ontstaan van sterrenstelsels is dat dit proces gedeeltelijk plaatsvond door samensmelting, ofwel het ‘opeten’ van kleinere stelsels door grotere (kannibalisme). Eén van de resultaten in mijn proefschrift uit 2000 was de ontdekking van de restanten van een klein sterrenstelsel dat door onze Melkweg meer dan 7 miljard jaar geleden is gekannibaliseerd, toen het heelal tenminste half zou oud was als nu. Deze ontdekking deed ik met de gegevens van de Hipparcos-satelliet, ook een ESA-missie en de voorloper van Gaia. In mijn proefschrift voorspelde ik dat slechts met een missie zoals Gaia nog meer overblijfselen van de eerste gekannibaliseerde sterrenstelsels gevonden zouden kunnen worden. Zo begon een lange wachttijd van 16 jaar alvorens ik de zo belangrijke voorspellingen over de vorming van sterrenstelsels kon toetsen aan nieuwe gegevens. Na het verschijnen van de eerste Gaia-catalogus in september 2016 volgden vele korte en soms slapeloze nachten! Mijn team heeft zich jaren voorbereid en we hebben de gegevens direct na het openstellen van het Gaia Archive binnengehaald om ermee aan de slag te gaan. Ik beschrijf nu een aantal ontdekkingen die we sindsdien gedaan hebben.

De Halo: een schatkist vol fossiele sterren
De sporen van de vormingsgeschiedenis van een sterrenstelsel vinden we vooral in de zogenaamde halo; een min of meer bolvormige en zeer dunbevolkte component van sterrenstelsels rondom de schijf. In het geval van de Melkweg bestaat de halo uit oude sterren met een laag gehalte aan elementen zwaarder dan helium (‘metalen’) in hun atmosfeer. Deze sterren zijn gevormd toen het heelal nog jong was en het interstellaire gas, waaruit ze ontstonden, nog maar weinig verrijkt was met ‘metalen’ door supernovae van de allereerste stergeneraties. Ook was het vormingsproces van de Melkweg toen nog maar net begonnen. Astronomen koesteren deze halosterren omdat ze ons een blik gunnen op de vroege geschiedenis van het heelal en de Melkweg. Helaas bevindt slechts een tiende procent van alle sterren in de Melkweg zich in de halo. Halosterren zijn heel zeldzaam en niet makkelijk te vinden, een soort kosmische edelstenen dus. Maar door het bepalen van de chemische samenstelling van sterren kunnen we de halosterren toch van andere sterren onderscheiden.

Het meest in het oog springende onderdeel van ons melkwegstelsel is de schijf met daarin de spiraalarmen, zoals geïllustreerd in het midden van de figuur. De schijf wordt omgeven door de halo (een bolvormige component), die vermoedelijk ontstond door het invangen van kleinere sterrenstelsels. In de figuur geven de paarse puntjes de ruimtelijk verdeling van de sterren van een opgeslokt stelsel in de halo aan, zoals berekend met een computersimulatie. De pijlen laten zien dat de sterren van het kleine stelsel gezamenlijk door de ruimte bewegen. Dit leidt tot zogenaamde sterstromen en in dit voorbeeld zien we dat twee stromen elkaar in de schijf van het melkwegstelsel kruisen. (Jovan Veljanoski, Rijksunivcersiteit Groningen).

De afbeelding hierboven laat een computersimulatie zien van het opeten van een klein sterrenstelsel door een groter stelsel zoals de Melkweg. Ze toont de ruimtelijke verdeling van de sterren in het kleine sterrenstelsel samen met de verdeling van de sterren in de schijf en de halo van het grote stelsel. Het kleine sterrenstelsel wordt door getijdenkrachten in het zwaartekrachtsveld van het grotere stelsel uiteengerukt. De sterren van het ingevangen stelsel vormen vervolgens sliertachtige structuren rondom de schijf van het grote stelsel, die sterstromen genoemd worden. De sterren in deze stromen bewegen gezamenlijk door de ruimte zoals de pijltjes aangeven. De figuur maakt duidelijk waarom we zowel de afstanden als de bewegingen van sterren moeten kennen om de stromen op te kunnen sporen en de ‘eetgewoontes’ van de Melkweg te begrijpen. De afbeelding laat ook zien dat de halo veel groter van omvang is dan de schijf van de Melkweg en in het ideale geval zouden we sterren willen bestuderen in alle uithoeken van de halo. Dit zal pas kunnen met de volgende publicatie van Gaia–gegevens, over iets meer dan een jaar. Toch kunnen we met de eerste publicatie al uit de voeten, omdat die voor de twee miljoen schijnbaar helderste sterren in de buurt van de zon al nauwkeurige parallaxen (afstanden) en eigenbewegingen bevat. Daarmee is het mogelijk alvast een begin te maken met de speurtocht naar restanten van kannibalisme: een uitstekend voorproefje op wat nog komen gaat.

“Met dit monster van iets meer dan duizend halosterren kan onze speurtocht beginnen naar de restanten van samensmeltingen van de Melkweg met andere sterrenstelsels”

Het hoekmoment van een ster. De ster in dit voorbeeld beweegt in een cirkelbaan waarbij de snelheidsvector (de bewegingsrichting langs ieder punt van de baan) loodrecht op de verbindingslijn ster-melkwegcentrum staat. Het hoekmoment L is het product van de snelheid V en de afstand tot het centrum R, en is ook evenredig met de grootte van de hoek tussen de snelheidsvector en de lijn centrum-ster (in dit voorbeeld 90o). Bij een ster met een elliptische baan maakt de snelheidvector een kleinere hoek met de lijn centrum-ster en heeft L een lagere waarde. Voor sterren die de andere kant op draaien, wijst L naar beneden: er is dan sprake van een negatief hoekmoment.

De speurtocht naar fossiele resten
Zoals gezegd bevat de Gaia-catalogus de afstanden en bewegingen van twee miljoen sterren in de buurt van de zon. Als eerste stap in onze speurtocht naar sterstromen hebben we deze gegevens gecombineerd met die van het RAVE-project. RAVE heeft sinds 2003 ongeveer een half miljoen spectra verzameld van sterren in de buurt van de zon. Uit het spectrum van een ster kun je de snelheid langs de gezichtslijn (naar ons toe of van ons af, de radiële snelheid) en de chemische samenstelling (bijvoorbeeld het metaalgehalte in de steratmosfeer) afleiden. Verder maakt het spectrum ook een schatting van de afstand mogelijk. Deze geschatte afstanden zijn in dit stadium soms nauwkeuriger dan de Gaia-afstanden. De combinatie van de gegevens van Gaia en RAVE stelt ons in staat zowel de 3D-positie als de 3D-snelheid van de sterren in kaart te brengen. 200.000 sterren komen zowel in de Gaia- als de RAVE–dataverzameling voor. Deze verzameling sterren is nu al 10 keer zo groot als alle vorige gegevenssets waarvoor zulke precieze metingen van de bewegingen van sterren voorhanden zijn. Dankzij de kennis over de chemische samenstelling uit de RAVE-gegevens konden wij 1116 halosterren in de buurt van de zon identificeren op basis van hun lage metaalgehalte. Met dit monster van iets meer dan duizend halosterren kan onze speurtocht beginnen naar de restanten van samensmeltingen van de Melkweg met andere sterrenstelsels. De sleutel tot succes ligt in het identificeren van sterren die samen van buiten de Melkweg afkomstig zijn. Dit kan aan de hand van de zogenaamde dynamische eigenschappen van de sterren. Deze eigenschappen worden bepaald uit gegevens over de afstand en bewegingen van de sterren en zeggen iets over de manier waarop sterren door de Melkweg bewegen. Sterren in de schijf (zoals de zon) bewegen in cirkelbanen rond het centrum van de Melkweg. Sterren in cirkelbanen op grotere afstand tot het centrum doorlopen een baan met lagere energie (de som van de potentiële en kinetische energie), terwijl sterren op cirkelbanen dicht bij het centrum juist een hogere energie hebben. Er zijn ook sterren die elliptische banen volgen. Sterren met cirkelbanen hebben een groot ’hoekmoment’ voor hun energie (zie de afbeelding hiernaast), terwijl sterren op sterk elliptische banen een laag hoekmoment hebben voor hun energie. Sterren die gezamenlijk optrekken in de Melkweg kunnen we herkennen als groepjes met dezelfde energie en hetzelfde hoekmoment.

“We verwachten dus dat de overblijfselen van opgeslokte kleine sterrenstelsels op te sporen zijn als groepen sterren met overeenkomstige energie en hoekmoment”

De afbeelding hieronder toont voor dezelfde computersimulatie als helemaal bovenaan dit artikel de dynamische eigenschappen van de sterren in het ingezoomde gebied. Hierbij stellen we ons voor dat dit het gebied rond de zon is waarvoor we over Gaia- en RAVE-gegevens beschikken. Dit gebied wordt in de simulatie doorkruist door twee sterstromen die afkomstig zijn van hetzelfde kleine sterrenstelsel dat door het grotere uit elkaar getrokken en opgegeten wordt. Dit toont het paneel linksonder waarin de snelheid van de sterren langs twee richtingen (x en y) in beeld gebracht is. De twee verschillende groepen sterren in dat paneel komen overeen met de twee sterstromen in de simulatie. Het paneel rechtsonder laat zien dat de sterren van de beide sterstromen qua energie en hoekmoment allemaal tot dezelfde groep behoren. Daaruit leiden we af dat de twee sterstromen hun oorsprong in hetzelfde kleine sterrenstelsel hebben. In hetzelfde paneel staan rechtsonder ook de waarden van energie en hoekmoment aangegeven van de sterren van de schijf van de Melkweg en de overige sterren in de halo. Ze zijn over een veel groter ‘gebied’ in het diagram verspreid en horen dus niet als groep bij elkaar. We verwachten dus dat de overblijfselen van opgeslokte kleine sterrenstelsels op te sporen zijn als groepen sterren met overeenkomstige energie en hoekmoment.

Een uitvergroting van een klein gebied uit de simulatie in Figuur 1, dat we ons voorstellen als het gebied rond de zon waarvoor gegevens van Gaia en Rave beschikbaar zijn. Zie de tekst voor verdere uitleg. De figuur laat zien hoe nuttig de dynamische eigenschappen van sterren zijn bij het speuren naar restanten van opgeslokte sterrenstelsels. (Jovan Veljanoski, Rijksuniversiteit Groningen).

De eerste vondsten
De afbeelding hieronder toont het diagram van energie en hoekmoment voor de 1116 sterren die wij in met de Gaia- en RAVE-gegevens als halosterren hebben geïdentificeerd. Het valt op dat de sterren niet egaal over dit diagram verdeeld zijn maar kleine groepen vormen. Dit zouden dus de restanten kunnen zijn van kleine, door de Melkweg opgegeten sterrenstelsels!

De energie en het hoekmoment van de met Gaia en Rave geïdentificeerde halosterren. De verdeling van de sterren in het diagram is niet egaal. Linksboven staan sterren die de ‘verkeerde’ kant op bewegen, met een draairichting rond het melkwegcentrum die tegengesteld is aan die van de zon. Afbeelding: (Helmi et al 2016).

Als eerste valt op dat er veel sterren met lage energie en een negatief hoekmoment zijn (linksboven in het diagram). Zij draaien om het melkwegcentrum in een richting tegengesteld aan die van de zon (retrograde of ’achterwaartse’ beweging). Hoewel het bestaan van een aantal retrograad bewegende sterren wel bekend was, is nog niet eerder gezien dat deze achterwaartse component van de halo zoveel sterren bevat. Het is zeer verrassend dat tussen de 58 en 85 procent van de sterren (afhankelijk van hun energie) retrograde banen om het melkwegcentrum volgen. De verwachting was dat de halo over het algemeen in dezelfde richting draait als de schijf van de Melkweg (zelfde richting als de zon). Geavanceerde computersimulaties van de vorming van sterrenstelsels geven als resultaat dat minder dan één procent van de gesimuleerde gevallen halosterren hebben met een retrograde beweging. Dat een vrij groot aantal sterren retrograde banen volgt, kan erop wijzen dat de Melkweg in het verleden met een verhoudingsgewijs groot sterrenstelsel in botsing is gekomen. Een uitvergroting van het diagram van energie en hoekmoment in de afbeelding hieronder laat iets duidelijker de groepen zien die bij hogere energieën te vinden zijn. Het diagram toont verschillende ‘klonten’, een sterke aanwijzing dat de halo inderdaad gevormd is zoals voorspeld, namelijk door het opeten van kleinere sterrenstelsels.

Een uitvergroting van de figuur hierboven van de sterren met een hoge baanenergie. De contouren geven groepen sterren aan (zwarte punten), de mogelijke restanten van kleine sterrenstelsels die lang geleden door de Melkweg opgeslokt zijn. (Helmi et al 2016).

Deze opwindende ontdekkingen vormen de eerste stap naar het reconstrueren van de ontstaansgeschiedenis van de Melkweg met behulp van de gegevens van Gaia. Met toekomstige Gaia-gegevenspublicaties kunnen we uitzoeken hoe vaak de Melkweg kleine sterrenstelsels opgeslokt heeft en of wellicht alle halosterren van andere sterrenstelsels afkomstig zijn. De nieuwe gegevens zullen nauwkeuriger zijn en ons in staat stellen om het hier beschreven onderzoek voor de hele halo te herhalen (en niet alleen de zonsomgeving). We kunnen dan beter de groepen van sterren met ongeveer dezelfde dynamische eigenschappen identificeren en het bestuderen van de sterren in die groepen kan ons bijvoorbeeld leren hoe groot de sterrenstelsels waren die de bouwstenen van de halo van onze Melkweg vormden. We hebben dan een directe blik op de vorming van de Melkweg en andere sterrenstelsels in de vroege levensfasen van het heelal. We hoeven hiervoor geen moeizame waarnemingen van verwijderde sterrenstelsels te doen, maar kunnen in onze eigen kosmische achtertuin de restanten van de ontstaansgeschiedenis van de Melkweg opgraven en bestuderen!

Dit artikel is afkomstig uit het tijdschrift Zenit
Hét populair-wetenschappelijke maandblad over sterrenkunde, weerkunde en ruimteonderzoek. Met grote regelmaat schrijven binnen- en buitenlandse wetenschappers zoals Kees de Jager in het blad over hun onderzoek. Benieuwd wat er in het komende nummer allemaal te ontdekken valt? Kijk dan op zenitonline.nl!