Rem op draaiing centrale balk Melkweg bevestiging van donkere materie

Voorstelling van ons Melkwegstelsel. Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

Ons Melkwegstelsel is een balkspiraalstelsel, een spiraalstelsel niet met een bolvormige centrale verdikking, maar met een lange ‘balk’ in het centrum, een SB stelsel in Hubble’s kwalificatiesysteem. Recent onderzoek door twee sterrenkundigen van de Universiteit College London (UCL) en Universiteit van Oxford laat zien dat die centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg met een kwart langzamer is gaan roteren. Die afname van de rotatiesnelheid werd meer dan dertig jaar geleden al voorspeld (Tremaine & Weinberg, 1984), maar het is nu pas dat die rem ook daadwerkelijk gemeten is. In de gegevens verzameld met de Europese Gaia satelliet keken de sterrenkundigen naar de informatie over de Hercules stroom, een lange sliert van sterren, die in resonantie is met de centrale balk, dat wil zeggen die door de zwaartekracht in hetzelfde tempo om het Melkwegcentrum draait als de centrale balk. Die resonantie is vergelijkbaar met bijvoorbeeld de Trojanen, een groep planetoïden in de baan van Jupiter, die dezelfde snelheid aanhouden als de planeet. Als de snelheid van de centrale balk afneemt zullen de sterren in de Hercules stroom verder van de Melkweg af bewegen, om zodoende dezelfde snelheid te behouden t.o.v. het centrum. En dat is precies wat Rimpei Chiba en Ralph Schönrich konden zien in de Gaia data, dat de sterren in de Hercules stroom steeds verder van het centrum af raken. Dat konden ze meten door te kijken naar de hoeveelheid metalen in de sterren, dat zijn de elementen zwaarder dan helium. Sterren in het centrum van de Melkweg bevatten pakweg tien keer zoveel metalen als sterren in de schijf of de halo van de Melkweg.

Voorstelling van donkere materie in de halo om de Melkweg. Credit: Wikipedia.

De sterren van de Hercules stroom moeten vroeger dus dichterbij het centrum hebben gezeten en dat laat zien dat ze er vanaf bewegen. Op basis hiervan hebben Chiba en Schönrich berekend dat de centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg 24% langzamer is gaan draaien. En dat komt door de remmende werking van de zwaartekracht veroorzaakt door de donkere materie in de halo van de Melkweg. Dát is tegelijk een probleem voor de modellen die geen donkere materie kennen, zoals de MOND theorie, die uitgaat van een aangepaste zwaartekrachtwet. Dergelijke theorieën hebben geen donkere materie in de halo van sterrenstelsels en ze voorspellen dan ook geen of een veel lagere vertraging in de rotatiesnelheid van de centrale balk. En dat is dus in strijd met de waarnemingen die nu gedaan zijn. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de rem op de snelheid van de centrale balk, in augustus te verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Phys.org.

De ‘Galactische balkparadox’ lijkt te zijn opgelost door kosmische dans

Fragment van de simulatie van de beweging van balk en spiraalarmen van de melkweg. Credit: T. Hilmi / University of Surrey

Al jaren worstelen sterrenkundigen met het probleem dat bekend staat als de ‘Galactische balkparadox’. Nu lijkt het erop dat daar een oplossing voor gevonden is. Het Melkwegstelsel is zoals bekend een balkspiraalstelsel, een sterrenstelsel dat net als spiraalstelsels spiraalarmen bezit, maar waarbij deze niet van het centrum lijken te komen, maar vanuit een “balk” die door het centrum gaat. Om te weten hoe de evolutie van zo’n sterrenstelsel precies verloopt is het van belang te weten hoe groot de balk is en hoe snel deze beweegt. En da’s nou juist het probleem van de centrale balk van de Melkweg, want de afgelopen vijf jaar zijn er verschillende resultaten verkregen. Metingen aan de bewegingen van sterren in de buurt van de zon geven aan dat de balk klein moet zijn en snel beweegt, terwijl metingen aan sterren in het centrum van de Melkweg (dus dichterbij de balk) zeggen dat de balk juist groot is en langzaam beweegt. Zie daar de Galactische balkparadox. Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van Tariq Hilmi (University of Surrey) en Ivan Minchev (Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam) zegt nu op grond van geavanceerde simulaties van het Melkwegstelsel dat de grootte van de balk en de snelheid van de sterren daarin kunnen fluctueren in tijd, hetgeen er voor kan zorgen dat de balk wel twee keer zo lang kan worden en 20% sneller kan bewegen op sommige momenten – zie daar de mogelijke oplossing voor de Galactische balkparadox.

De snelheid van de balk en spiraalarmen. Credit: T. Hilmi / University of Surrey

Dat de balk pulseert komt door z’n interactie met de spiraalarmen, iets wat de sterrenkundigen een ‘kosmische dans’ noemen. Zodra de balk en een spiraalarm dichter bij elkaar komen trekken ze elkaar door de zwaartekracht aan en dan vertraagt de balk en versnelt de spiraalarm. Zodra ze verbonden zijn lijkt de balk langer dan ‘ie is en lijkt ‘ie ook langzamer te bewegen. Verbreekt de verbinding dan versnelt de balk weer en vertraagd de spiraalarm (zie ook de grafiek hierboven). Dit herhaald zich iedere 80 miljoen jaar, de lengte van één omwenteling van de galactische balk.

In the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society is dit vakartikel verschenen over de Galactische balkparadox. Bron: Eurekalert.

Nu is ’t officieel: de galactische balk is waargenomen

Credit: F. Anders et al / Gaia.

Op 27 april j.l. kon ik jullie al melden dat sterrenkundigen er met behulp van gegevens verzameld met de Europese Gaia satelliet in geslaagd waren om de balk van het Melkwegstelsel waar te nemen. Eh.. de balk van het Melkwegstelsel? Yep klopt. Ons Melkwegstelsel is geen gewoon spiraalstelsel met een bolvormige kern, nee het is een balkspiraalstelsel, een Sb stelsel volgens de Hubble-classificatie (die zelf onder vuur ligt). Dat wist men op grond van allerlei indirecte aanwijzingen, maar directe observaties ontbraken. Tot nu toe dan. Want met de tweede dataset (DR2 – vorig jaar april verschenen) van de Europese Gaia satelliet, gecombineerd met gegevens van andere instrumenten (PanSTARRS-1, 2MASS en AllWISE), waren Friedrich Anders (Universiteit van Barcelona) en z’n team in staat een kaart te maken van de exacte posities en afstanden van sterren in de richting van het Melkwegcentrum en wat verscheen daar luid en duidelijk op: dé centrale balk van de Melkweg.

Credit: Data: ESA/Gaia/DPAC, A. Khalatyan(AIP) & StarHorse team; Galaxy map: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)

Uit de data van DR2 wist men van pakweg 150 miljoen sterren een driedimensionale kaart te maken en daarop kwam die centrale balk luid en duidelijk tevoorschijn. En waarom is het dan nu officieel en eind april niet? Da’s omdat nu het vakartikel officieel in een wetenschappelijk tijdschrift is gepubliceerd, eerst stond ’t alleen op de ArXiv.

“Photo-astrometric distances, extinctions, and astrophysical parameters for Gaia DR2 stars brighter than G=18” by F. Anders et al. is published in Astronomy & Astrophysics.

Bron: ESA.

Jonge sterrenstelsels hebben ook al spiraalarmen, balken en ringen

Links: een afbeelding van het sterrenstelsel ALESS 17.1 op 10 miljard lichtjaar van ons vandaan. De afbeelding is gemaakt met de ALMA-telescopen. De langwerpige witte vlek duidt op een balkvormige structuur. Rechts: NGC1300, een vergelijkbaar balksterrenstelsel dat op slechts 61 miljoen lichtjaar van ons vandaan staat. (c) Links: ALMA/Jacqueline Hodge et al. Rechts: ESO/P. Grosbøl.

Jonge sterrenstelsels zijn minder rommelig dan verwacht en blijken ook al spiraalarmen, balken en ringen te bevatten. Dat stelt een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Jacqueline Hodge (Universiteit Leiden). De jonge, ver van ons verwijderde, sterrenstelsels waren tot nu toe wazige stipjes, maar werden door de ALMA-telescoop in Chili voor het eerst in meer detail zichtbaar. De onderzoekers publiceren hun bevindingen binnenkort in The Astrophysical Journal.

De onderzoekers zoomden in op het sterrenbeeld Oven (Fornax) aan de zuidelijke sterrenhemel. Ongeveer twintig jaar geleden ontdekten astronomen daar een nieuwe verzameling sterrenstelsels die slechts een paar miljard jaar na de oerknal waren ontstaan. Twintig jaar geleden waren de telescopen nog niet goed genoeg en zagen ze de sterrenstelsels op 10 miljard lichtjaar afstand alleen als vage vlekjes.

Links: een afbeelding van het spiraalstelsel ALESS 112.1 op 10 miljard lichtjaar van ons vandaan. De afbeelding is gemaakt met de ALMA-telescopen. Rechts: NGC 5247, een spiraalstelsel op ‘slechts’ 50 miljoen lichtjaar van ons vandaan. (c) Links: ALMA/Jacqueline Hodge et al. Rechts: ESO/P. Grosbøl.

De sterrenkundigen deden hun nieuwe waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Noord-Chili. Dat is een verzameling radioschotels die op millimetergolflengten opereert en weinig last heeft van gas- en stofwolken rond verre sterrenstelsels.

Voor de astronomen kwamen de balken, ringen en spiraalarmen als een verrassing. Ze dachten altijd dat dit soort regelmatige structuren alleen voorkomen bij volgroeide, min of meer tot rust gekomen sterrenstelsels en niet bij jonge sterrenstelsels.

De onderzoekers zijn vooral opgetogen over de balkvormige structuren. Balken zijn namelijk een soort buizen die gas naar het centrum van het sterrenstelsel leiden. Daardoor kunnen er snel nieuwe sterren ontstaan. Hoofdonderzoeker Jacqueline Hodge (Universiteit Leiden): “We wisten al dat er snelle stervorming was, maar we konden het niet heel goed verklaren. Dankzij de balkvormige structuren is de snelle stervorming nu veel beter verklaarbaar.”

Eerder, in 2013, bekeken Jacqueline Hodge en collega’s hetzelfde stukje heelal. Toen ontdekten ze dat wat voorheen één sterrenstelsel leek, er vaak twee of meer waren. Nu, in 2019, zagen de astronomen voor het eerst duidelijke structuren.

In de toekomst willen de astronomen de jonge sterrenstelsels op meerdere momenten bestuderen. Zo krijgen ze een beeld van de bewegingen in de stelsels en kunnen ze hun hypothese over snelle stervorming toetsen. Bron: Astronomie.nl.

Focus op: balkspiraal Messier 91

Ja ja, het kan verkeren.  Jan Brandt had in het voorjaar Messier 91 net als ik in het vizier, waarbij hij met name blogde over het lastige situatie dat er zo veel heldere nachten achter elkaar kwamen. Nou, daar hebben we nu geen last van!Messier 91 is een mooie balkspiraal. Dat wil zeggen, een sterrenstelsel met spiraalarmen en een balk (‘bar’ in het Engels) in het midden. Ik had eerst per vergissing NGC4571 in het midden van mijn beeldveld staan. We kijken richting de Virgo-cluster en er staan zoveel ‘vlekkies’ in dat hemelgebied dat zo’n foutje snel is gemaakt. Daarmee ging ik mee in de traditie van verwarring rond dit object. M91 is namelijk lange tijd ‘vermist’ geweest. Op 18 maart 1781 had Charles Messier acht nevelachtige objecten ontdekt. Kennelijk vermoeid had hij een fout genaakt bij het noteren van de positie. Op de genoteerde plek stond geen namelijk geen nevel. Het raadsel werd pas in 1969 opgelost door William Williams (je zal je kind maar zo noemen), een amateurastronoom uit Texas. Hij kwam erachter dat Messier de positie van M91 had opgeschreven ten opzichte van M89.

Met magnitude 10,2 is M91 één van de moeilijkst zichtbare objecten uit de Messier-lijst. Of je de centrale balk kunt zien, of zelfs ook de spiraalarmen, of dat je het object überhaupt ziet hangt niet alleen af van de grootte van de telescoop, maar ook sterk van de waarneemcondities. Een heldere maanloze nacht en een donkere plek zonder lichtvervuiling is gewenst.M91 schijnt ons toe vanaf een afstand van 63 miljoen jaar en maakt zoals gezegd deel uit van de Virgo-cluster. De diameter is ongeveer 100.00- lichtjaar, net zoiets als ons eigen melkwegstelsel.Als bijvangst staat er op de rechter onderkant van de foto een object dat zich gedurende de 80 minuten totale belichting een stukje verplaatst heeft.Het zal wel een planetoïde zijn. Maar mijn planetariumprogramma geeft daar niets aan op genoemd tijdstip. Misschien heb ik een komeet ontdekt, maar dan is het wel een beetje laat want de opnames zijn van 18 april vorig jaar.   Om preciezer te zijn: van 1:18 uur tot 2:36 uur.Paulus B.

Centrale delen van de Melkweg zijn groter en langgerekter dan gedacht

Credit: UKIDSS/VVV/2MASS/GLIMPSE.

De centrale balk van de Melkweg is langer, dunner en eindigt dichterbij de zon dan voorheen werd gedacht. Het is natuurlijk lastig om de structuur van de Melkweg in kaart te brengen, aangezien we er midden in zitten. Vanuit onze spiraalarm wordt onze blik op het galactische centrum belemmerd door uitgestrekte gas- en stofwolken. Vandaar dat astronomen gebruik hebben gemaakt van vier surveys om de binnendelen in kaart te brengen: UKIDSS, VVV, 2MASS en GLIMPSE, die allemaal hun gegevens verzamelen in infrarode golflengten, die gemakkelijker door gas- en stofwolken kunnen heendringen.Uit de gegevens is gebleken dat de galactische balk langer is dan gedacht: in totaal zo’n 15.000 lichtjaar. Daarnaast blijkt dat de centrale verdikking (bulge) en de balk langzaam in elkaar overgaan en dus feitelijk één structuur vormen. Ook blijkt de balk meer in de richting van de zon te zijn georiënteerd, zodat het einde van de balk veel dichterbij ligt dan gedacht. Dat betekent dat de balk een grotere invloed moet hebben op de beweging van nabije sterren.Verder wordt de balk van de Melkweg ook steeds dunner zodra de afstand tot de kern groter wordt en blijkt de balk vrijwel precies in hetzelfde vlak te liggen als de spiraalarmen, met een afwijking van slechts 0,1 procent (15 lichtjaar) over z’n totale lengte van 15.000 lichtjaar. Huidige modellen van de evolutie van ons melkwegstelsel hebben moeite om dit te verklaren.

Credit: S. Brunier

Bron: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Steeds meer sterrenstelsels hebben een centrale balk

NGC 1300. Credit: HST / NASA / ESA.

Astronomen hebben ontdekt dat het aantal spiraalstelsels met een centrale balk de laatste miljarden jaren enorm is toegenomen. Vele sterrenstelsels met een spiraalstructuur (inclusief onze Melkweg) hebben centrale balkachtige structuren in plaats van een bolvormige centrale verdikking. Deze structuren zijn opgebouwd uit sterren en de spiraalarmen ontspringen aan de uiteindes van zo’n balk.

Uit onderzoek blijkt dat acht miljard jaar geleden slechts 11 procent van alle spiraalstelsels in het bezit was van een centrale balk. Zo’n 2,5 miljard jaar geleden was dat aantal al verdubbeld en vandaag de dag zijn balkspiraalstelsels zelfs in de meerderheid! Verder blijkt dat de kans op een balk groter is bij een spiraalstelsel met een grote massa.

Overigens blijkt een centrale balk slecht nieuws te zijn – zo’n structuur is slecht voor de stervorming. Feitelijk is een balk dus een teken van volwassenheid – balkspriraalstelsels kennen minder stervorming en zijn druk bezig zich te settelen als een rustige en saaie schijf van oude sterren. Overigens zijn de resultaten van het onderzoek mede te danken aan de hulp van duizenden armleuning-astronomen van het citizen science project Galaxy Zoo.

Bron: Royal Astronomical Society

Hubble-waarnemingen wijzen op dubbele kern in balkspiraalstelsel M83


Waarnemingen met de Hubble ruimtetelescoop aan het balkspiraalstelsel M83 – ook wel het zuidelijke windmolenstelsel genoemd, M101 is de noordelijke variant – wijzen erop dat het een flink aantal supernova-explosies heeft ondergaan en dat het mogelijk een dubbele kern heeft. M83 ligt relatief dichtbij de Melkweg, op een afstand van 15 miljoen lichtjaar in het sterrenbeeld Waterslang (Hydra). M83 behoort tot de Centaurus A/M83 Groep van sterrenstelsels, waartoe ook Centaurus A en NGC 5253 behoren. Een dubbele kern in M83 betekent niet dat zich daar twee superzware zwarte gaten bevinden. Men denkt dat er

Hubble ziet uitbarsting van jonge, hete blauwe sterren in IC 5052

Credit: ESA/Hubble and NASA

De prachtige foto hierboven is gemaakt door de Hubble ruimtetelescoop. We kijken tegen de zijkant aan van het balkspiraalstelsel IC 5052, gelegen in het zuidelijke sterrenbeeld Pauw (Pavo). Op de voorgrond zijn talloze ‘voorgrondsterren’ zichtbaar, welke behoren tot ons Melkwegstelsel, en op de achtergrond zie je verder weg staande sterrenstelsels. In tegenstelling tot een ‘gewoon’ spiraalstelsel heeft een balkspiraal geen bolvormige kern, maar een langwerpige ‘balk’. Het Melkwegstelsel is ook zo’n balkspiraal. Op de foto zie je enkele heldere, blauwe gebieden. Dat zijn gebieden in IC 5052, waar een uitbarsting plaatsvindt van stervorming. Er zijn daar in enorme gaswolken in hoge mate zware sterren aan het ontstaan, die blauwgekleurd zijn en die een kort, maar heftig leven als supernova uit elkaar zullen knallen. Men denkt dat er een relatie is tussen die stervormingsgebieden en de uiteinden van de centrale balk. Bron: NASA.

Hubble ziet een balkspiraal in ‘het Zeemonster’

Credit: NASA & ESA

Hierboven zie je NGC 1073, een majestueus balkspiraalstelsel in het sterrenbeeld Walvis (Cetus), net zo majestueus geportretteerd door de Hubble ruimtetelescoop. Dat sterrenbeeld is genoemd naar het zeemonster Ceto uit de Griekse mythologie. Waar de naam balkspiraal vandaan komt zal niet moeilijk te raden zijn, als je naar de foto kijkt. De meeste spiraalstelsels in het heelal hebben zo’n centrale balk, het resultaat van een gravitationele dichtheidsgolf, die zich door het stelsel voortbeweegt en die door in elkaar vallende gaswolken tot een versnelde stervorming leidt. Ook onze eigen Melkweg is een balkspiraal. Op de foto zijn naast NGC 1073 ook nog andere interessante objecten te zien: een röntgenbron genaamd IXO 5, die vermoedelijk een binair systeem met een zwart gat is, en nog een drietal ver weg staande quasars. Ik zou zeggen: lees de bron even om meer over die objecten te weten te komen. Ik moet nu even m’n tuin sneeuwvrij gaan maken. 🙂 Bron: Hubble.