Hubble maakt prachtige opname van reusachtig spiraalstelsel

Het spiraalstelsel UGC 2885 is het grootste in zijn soort in het ‘lokale’ universum. De heldere stip links van de kern is geen supernova, maar een voorgrond-ster uit onze eigen Melkweg. Credits: NASA, ESA, en B. Holwerda (University of Louisville)

Sterrenstelsels zijn een beetje als sneeuwvlokjes. Ze komen in allerlei vormen en maten en geen twee sterrenstelsels zijn precies hetzelfde. Een goed voorbeeld is het fotogenieke spiraalstelsel UGC 2885, die zich bevindt op een afstand van 232 miljoen lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Perseus.

Het stelsel kan zonder blikken of blozen een reus genoemd worden – het is zo’n 2,5 keer groter dan de Melkweg en bevat ruim 5 keer zoveel sterren, circa één biljoen om precies te zijn (de bron zegt tien keer zoveel sterren, maar de Melkweg heeft toch echt 200 miljard sterren en geen 100 miljard, zo blijkt uit recente schattingen).

Aangezien het sterrenstelsel relatief weinig bolvormige sterrenhopen bevat, heeft UGC 2885 in zijn leven géén grote botsingen meegemaakt. Ook zijn niet of nauwelijks sterrenstromen waargenomen, zodat het stelsel ook nauwelijks dwergstelsels heeft opgeslokt. In plaats daarvan is het stelsel langzaam en gestaag gegroeid door miljarden jaren lang rustig waterstofgas om te zetten naar nieuwe sterren.

Dit is niet verwonderlijk, aangezien UGC 2885 relatief geïsoleerd door het heelal beweegt en dus altijd uit de buurt van de dynamische omgeving van clusters is gebleven. Desondanks bevat het stelsel uitzonderlijk veel sterren, dus schijnbaar zijn er voldoende verse intergalactische waterstofwolken voorhanden geweest in de omgeving van UGC 2885. Overigens lijkt die stervorming te zijn afgenomen, aangezien momenteel slechts half zoveel nieuwe sterren per jaar worden geboren dan in onze Melkweg (die op zich al bekend staat het rustig aan te doen op dit gebied).

Dit sterrenstelsel wordt ook wel Rubin’s Galaxy genoemd, aangezien sterrenkundige Vera Rubin dit stelsel gebruikt heeft om te zoeken naar onzichtbare donkere materie. Die zoektocht bleek succesvol te zijn: UGC 2885 wordt inderdaad omgeven door een omvangrijke halo van donkere materie, zo blijkt uit de snelheid waarmee sterren rondom het centrum van het stelsel bewegen.

Over dit centrum gesproken – zoals bij alle grote sterrenstelsel, wordt ook UGC 2885 verankerd door een supermassief zwart gat van een enorme omvang. Dit zwarte gat verraad zijn aanwezigheid overigens nauwelijks, aangezien deze het even rustig aan doet als de rest van het sterrenstelsel.

Met een diameter van ruim 300.000 lichtjaar behoort dit sterrenstelsel tot de grootste spiraalstelsels die we kennen. Grotere exemplaren zijn óf verwikkeld in een interactie met een ander sterrenstelsel (zoals NGC 6872) óf zijn enorm ijl met relatief weinig sterren (zoals Malin 1).

Bron: Hubblesite

Grote spiraalstelsels maken zeer efficiënt sterren

Het spiraalstelsel NGC 5371 is zeer efficiënt en bevat bijna geen missende normale materie. (c) SDSS/Fraternali (via https://aladin.u-strasbg.fr/AladinLite).

Grote spiraalstelsels, zoals onze naaste buur de Andromedanevel, laten bijna geen gas- of stofdeeltjes onbenut bij het vormen van sterren. Dat hebben Nederlandse astronomen berekend aan de hand van de draaisnelheden van ruim honderd nabije stelsels. De grote stelsels halen een efficiëntie van 80 tot 100% en zijn daarmee veel efficiënter dan de maximale 20% die werd toegeschreven aan de vorige recordhouders: middelgrote spiraalstelsels zoals onze Melkweg.

De nieuwe berekeningen hebben ook implicaties voor de zogeheten missende normale materie. Wetenschappers gaan er al langer vanuit dat het heelal voor ongeveer 5% bestaat uit normale materie zoals atomen en moleculen en voor 95% uit donkere, onbekende materie en donkere, onbekende energie. En van die 5% normale materie was ook nog eens het grootste deel zoek. Volgens de nieuwe berekeningen ontbreekt er echter amper normale materie in de grote spiraalstelsels.

Inmiddels zijn wetenschappers bezig om de theorie aan te passen aan de nieuwe bevindingen. Dat er nu missende normale materie gevonden is, is een opsteker. Maar dat grote sterrenstelsels veel efficiënter sterren vormen dan gedacht, zal de komende tijd voor hoofdbrekens zorgen.

Een voorbeeld van een zeer efficiënt spiraalstelsel is NGC 5371. Het stelsel staat op ongeveer honderd miljoen lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Jachthonden in de buurt van de Grote Beer. Het is een van de zwaarste van de meer dan honderd onderzochte stelsels. Het stelsel bevat bijna geen missende normale materie en heeft vrijwel al het stof en gas gebruikt om sterren te maken. Ook de Andromedanevel, onze naaste buur op ‘slechts’ 2,5 miljoen lichtjaar van ons vandaan, blijkt zeer efficiënt.

Het onderzoek werd uitgevoerd door Lorenzo Posti (Rijksuniversiteit Groningen en Université de Strasbourg, Frankrijk), Filippo Fraternali (RUG) en Antonino Marasco (RUG en ASTRON) en verschijnt binnenkort in het vakblad Astronomy and Astrophysics. Bron: Astronomie.nl.

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.

Het verst verwijderde sterrenstelsel kennen we dankzij een zwaartekrachtlens

credit: James Josephides

Sterrenkundigen zijn erin geslaagd om met behulp van twee ‘instrumenten’ een spiraalsterrenstelsel te identificeren dat nu te boek mag staan als het verst verwijderde spiraalstelsel in het heelal dat we kennen. Het eerste instrument is een menselijke en wel de  Near-Infrared Integral Field Spectrograph, die verbonden is aan de grote Gemini North telescope op Hawaï. Het tweede instrument is een lens, geen door mensen gemaakte lens welteverstaan, maar een natuurlijke lens. Het spiraalstelsel in kwestie, getooid met de naam A1689B11, bestond namelijk al elf miljard jaar geleden, toen het heelal nog maar 2,6 miljard jaar oud was, 1/5e van z’n huidige leeftijd. Normaal gesproken zou de Gemini telescoop dat stelsel niet kunnen zien, omdat ‘ie door de enorme afstand te zwak is. Maar gelukkig staat er tussen A1689B11 en de aarde nog een cluster van sterrenstelsels, die met z’n zwaartekracht, gevormd door de gewone en donkere massa in al die stelsels, zorgt voor een natuurlijke lens, een zwaartekrachtlens. Zoals je in de afbeelding bovenaan ziet is de ruimte rondom het cluster gebogen en dat zorgt er voor dat het licht van het erachter liggende spiraalstelsel A1689B11 niet alleen versterkt wordt (zoals een door mensen gemaakte lens ook doet), maar ook dat het in twee aparte beelden tot ons komt.

De Gemini North Telescope op Hawaï. Credit: Gemini.

Op basis van die twee beelden zijn de sterrenkundigen erin geslaagd om vast te stellen dat het gaat in een spiraalstelsel, een sterrenstelsel met spiraalvormen in een dunne schijf, een zeer vroege voorloper van ons eigen Melkwegstelsel. De stervorming in A1689B11 is enorm hoog: wel twintig zeer zo hoog als in het Melkwegstelsel. Die hoge snelheid van stervorming is kenmerkend voor alle jonge sterrenstelsels in het vroege heelal. Een vakartikel over de vondst van dit spiraalstelsel verschijnt binnenkort in The Astrophysical Journal en voor wie daar niet op geabonneerd is (iedereen schat ik zo in) is dat hier te lezen. Bron: Gemini.

Donkere materie had minder invloed in sterrenstelsels in het vroege heelal

Vergelijking van draaiende schijfstelsels in het verre en het huidige heelal. Credit:ESO/L. Calçada

Nieuwe waarnemingen wijzen erop dat tijdens de hoogtijdagen van het ontstaan van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden, zware sterren-vormende stelsels werden gedomineerd door baryonische oftewel ‘normale’ materie. Dat is in schril contrast met de huidige sterrenstelsels, waarin de geheimzinnige donkere materie de overhand lijkt te hebben. Dit verrassende resultaat, verkregen met ESO’s Very Large Telescope, suggereert dat donkere materie in het vroege heelal minder invloedrijk was dan nu. De resultaten van het onderzoek verschijnen in vier artikelen, waarvan er één vandaag in Nature is gepubliceerd.

De materie die wij in het heelal zien bestaat uit helder stralende sterren, gloeiend gas en wolken van stof. Maar de ongrijpbare donkere materie straalt geen licht uit en absorbeert of weerkaatst het ook niet – zij is alleen waarneembaar via de zwaartekracht die zij op haar omgeving uitoefent. De aanwezigheid van donkere materie kan verklaren waarom de buitenste delen van nabije spiraalstelsels sneller draaien dan je zou verwachten als de stelsels volledig uit normale materie zouden bestaan [1]De schijf van een spiraalstelsel draait heel langzaam rond: één rotatie duurt honderden miljoenen jaren. In de kern van zo’n stelsel zitten de sterren heel dicht op elkaar, maar naar buiten toe … Continue reading.

Galactische rotatiekrommen in het nabije en verre heelal. Credit:ESO/L. Calçada

Nu heeft een internationaal team van astronomen, onder leiding van Reinhard Genzel van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Duitsland, de instrumenten KMOS en SINFONI van ESO’s Very Large Telescope in Chili [2]De geanalyseerde gegevens zijn verkregen in het kader van de surveys KMOS3D en SINS/zC-SINF. Het is voor het eerst dat de dynamische eigenschappen van een groot aantal sterrenstelsels met … Continue reading gebruikt om de rotatie te meten van zes zware, sterren-vormende stelsels in het verre heelal, op het hoogtepunt van de vorming van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden.

Daarbij hebben ze een intrigerende ontdekking gedaan: anders dan bij spiraalstelsels in het huidige heelal, lijken de buitenste delen van deze verre stelsels langzamer te draaien dan de delen dichter bij de kern. Dat wijst erop dat er minder donkere materie aanwezig is dan verwacht. [3]Dit nieuwe resultaat zet geen vraagtekens bij de noodzaak van donkere materie als fundamenteel bestanddeel van het heelal of bij de totale hoeveelheid materie. Het wijst er alleen op dat de donkere … Continue reading

‘Verrassend genoeg zijn de rotatiesnelheden in de sterrenstelsels niet constant, maar nemen ze naar buiten toe af,’ aldus Reinhard Genzel, hoofdauteur van het artikel in Nature. ‘Dat heeft waarschijnlijk twee oorzaken. Allereerst worden de meeste van deze vroege zware sterrenstelsels gedomineerd door normale materie, en speelt donkere materie een veel kleinere rol dan in het lokale heelal. Op de tweede plaats waren de schijven van deze vroege stelsels veel turbulenter dan de spiraalstelsels die we in onze kosmische nabijheid zien.’

De beide effecten lijken sterker tot uiting te komen naarmate astronomen dieper het vroege heelal in kijken – verder naar het verleden dus. Dit wijst erop dat het aanwezige gas zich drie tot vier miljard jaar na de oerknal al op efficiënte wijze had georganiseerd in platte, draaiende schijven, terwijl de omhullende halo’s van donkere materie zich nog over een veel groter volume uitstrekten. Kennelijk duurde deed de donkere materie er miljarden jaren langer over om zich te verdichten, waardoor haar dominante uitwerking pas nu tot uiting komt.

Deze verklaring is in overeenstemming met waarnemingen die laten zien dat vroege sterrenstelsels veel gasrijker en compacter waren dan de huidige sterrenstelsels.

De zes sterrenstelsels die bij dit onderzoek in kaart zijn gebracht, maken deel uit van een grotere steekproef van honderden verre, sterren-vormende schijfstelsels die met KMOS en SINFONI in beeld zijn gebracht. Naast de hierboven beschreven metingen van afzonderlijke sterrenstelsels, is van de zwakkere signalen van de overige stelsels een gemiddelde rotatiekromme gemaakt. Deze laatste vertoont dezelfde afname van de rotatiesnelheid naar buiten toe. Ook twee andere onderzoeken van 240 sterren-vormende schijven bevestigen deze bevindingen.

Gedetailleerde modelberekeningen laten zien dat waar de onderzochte stelsels bij elkaar voor ongeveer de helft uit normale materie bestaan, het rotatiegedrag van de verste sterrenstelsels volledig door normale materie wordt gedomineerd. ESO.

References[+]

References
1 De schijf van een spiraalstelsel draait heel langzaam rond: één rotatie duurt honderden miljoenen jaren. In de kern van zo’n stelsel zitten de sterren heel dicht op elkaar, maar naar buiten toe neemt de dichtheid van de heldere materie af. Als zo’n stelsel geheel uit normale materie zou bestaan, zouden de dunbevolktere buitengebieden langzamer moeten draaien dan de opeengepakte gebieden in het centrum. Maar waarnemingen van nabije spiraalstelsels laten zien dat hun buitendelen ongeveer net zo snel draaien als hun binnendelen. Deze vlakke ‘rotatiekrommen’ geven aan dat spiraalstelsels grote hoeveelheden niet-lichtgevende materie bevatten, in de vorm van een halo van donkere materie die de galactische schijf omhult.
2 De geanalyseerde gegevens zijn verkregen in het kader van de surveys KMOS3D en SINS/zC-SINF. Het is voor het eerst dat de dynamische eigenschappen van een groot aantal sterrenstelsels met roodverschuivingen van z~0,6 tot 2,6 (een tijdspanne van 5 miljard jaar) zo uitgebreid is onderzocht.
3 Dit nieuwe resultaat zet geen vraagtekens bij de noodzaak van donkere materie als fundamenteel bestanddeel van het heelal of bij de totale hoeveelheid materie. Het wijst er alleen op dat de donkere materie in en rond schijfstelsels vroeger anders was verdeeld dan nu.

Sterrenkundigen ontdekken ‘super spiraalsterrenstelsels’

Image credit: SDSS

Groot, groter, grootst. Dat heb je op aarde in het dieren- en plantenrijk, maar dat heb je ook in de wereld der sterrenkunde. Door gebruik te maken van de NASA/IPAC Extragalactic Database (NED), da’s een online database met gegevens over 100 miljoen stelsels, heeft men een nieuwe klasse van sterrenstelsels ontdekt van supergrote spiraalstelsels – op de afbeelding hierboven zie je er enkelen. Ze werden niet eerder opgemerkt, omdat gedacht werd dat ze gewone spiraalstelsels zijn, zoals onze eigen Melkweg er eentje is. In een bestand met 800.000 sterrenstelsels, die niet verder van de aarde verwijderd zijn dan 3,5 miljard lichtjaar, kwam men 53 sterrenstelsels tegen met spiraalarmen, die wel 8 tot 14 keer de lichtkracht van ons Melkwegstelsel hebben en die wel tot tien keer de massa van de Melkweg hebben. Het Melkwegstelsel heeft een diameter van zo’n 100.000 lichtjaar, de 53 superspiralen zijn twee tot vier keer zo groot, waarbij de grootste een diameter van maar liefst 440.000 lichtjaar heeft. De ‘super spiralen’, zoals ze ook wel worden genoemd, stralen vooral in het ultraviolette en mid-infrarood gedeelte van het EM spectrum. Hun productie van stervorming lijkt wel dertig keer hoger te zijn dan die van onze Melkweg. Tot nu toe ging men er altijd van uit dat elliptische sterrenstelsels de grootste sterrenstelsels vormen, maar kennelijk zijn zij niet de enigen in de hors-categorie. Van alle grote elliptische en spiraalstelsels wordt gedacht dat ze ontstaan door het fuseren van kleinere sterrenstelsels. Bron: NASA/JPL.

Waarom zijn sommige spiraalstelsels “klonterig”?

De meeste hedendaagse spiraalstelsels (links) hebben een egaal patroon, met kleine stervormingsgebieden. Sommige stelsels (rechts) zijn echter klonterig, met veel grotere stervormingsgebieden. Credit: Dr Danail Obreschkow, ICRAR. Image uses data from the Hubble Space Telescope.

Hoewel spiraalstelsels vandaag de dag meestal vrij egaal zijn, zijn hun soortgenoten in het vroege universum veel “klonteriger”, met flinke concentraties van gas en stof. In de klonterige spiraalstelsels is de stervorming ook veel hoger dan bij de egale variant. Waar in spiraalstelsels zoals de Melkweg zo’n één ster per jaar geboren wordt (eigenlijk één zonnemassa aan sterren), is dat bij klonterige spiraalstelsels zo’n één ster per week! Ook in het “lokale” universum komen nog steeds klonterige spiraalstelsels voor, hoewel ze zeldzaam zijn geworden. Maar waarom zijn die stelsels niet egaal geworden, zoals de Melkweg? Astronomen waren van mening dat dit soort stelsels simpelweg meer gas (en dus grotere “klonters”) bevatten. Dat blijkt uit recent onderzoek helemaal niet te kloppen: klonterige stelsels roteren veel langzamer dan normale spiraalstelsels (zo’n drie keer trager). Dit blijkt de klonterige structuur te veroorzaken: de stelsels bevatten nauwelijks meer gas dan egale spiraalstelsels zoals de Melkweg.Het volledige vak-artikel kan hier ingezien worden. Bron: International Centre for Radio Astronomy Research.

Spiraalstelsels blijken magnetische halo’s te hebben

Credit: Jayanne English (U. Manitoba), with support from Judith Irwin and Theresa Wiegert (Queen’s U.) for the CHANG-ES consortium; NRAO/AUI/NSF; NASA/STScI

Uit onderzoek is gebleken dat veel spiraalstelsels een halo hebben van kosmische straling en magnetische velden, die zich ver boven (en onder) de zichtbare schijf kan uitstrekken. Men heeft de ontdekking verricht door de VLA-radiotelescoop te richten op zo’n 35 spiraalstelsels die (vanaf de aarde gezien) precies van opzij bekeken worden.

Het bestaan van dit soort magnetische halo’s is reeds in 1961 voorspeld, maar helaas is de radiostraling die door deze halo’s geproduceerd wordt uitermate zwak. Nu heeft de VLA een dikke upgrade gekregen en daarom heeft men (in combinatie met de nieuwste image processing technieken) de zwakke halo’s eindelijk kunnen waarnemen.

Bij spiraalstelsels bevinden de meeste sterren zich in een roterende schijf. Het merendeel van de straling en magnetische velden van zo’n sterrenstelsel bevinden zich eveneens in de schijf. Astronomen vermoeden echter al decennia dat bij sommige spiraalstelsels een deel van de straling en het magnetisme zich voorbij de schijf uitstrekken. Dat is nu inderdaad bevestigd en bovendien blijken dit soort magnetische stralingshalo’s veel vaker voor te komen dan gedacht.

Bron: National Radio Astronomy Observatory

Ontstaan van “dikke schijf” van spiraalstelsels verklaard

Het sterrenstelsel NGC 891, een analoog van de Melkweg. De gekleurde bogen laten de uitwaaieringen zien van sterren van vergelijkbare leeftijd. De gemiddelde dikte van de dikke schijf blijft constant en wordt met witte lijnen aangegeven. Credit: Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, University of Arizona / Ivan Minchev, AIP.

Astronomen hebben meer inzichten verkregen in de zogenaamde “dikke schijf” van de Melkweg en andere spiraalstelsels. De schijf van dit soort stelsels bestaat uit twee delen: een platte “dunne schijf” van jonge sterren en een uitwaaierende “dikke schijf” van oude sterren. Uit een reeks numerieke simulaties blijkt dat botsingen met dwergstelsels de dunne schijf doen “opzwellen” en uitwaaieren. Hierbij ontstaat automatisch een dikke schijf met sterren van allerlei leeftijden – dus niet alleen oude sterren. De oude sterren in de dikke schijf bevinden zich vooral nabij het galactische centrum. Hoe groter de afstand tot het centrum, hoe jonger de sterren worden. Het herleiden van de herkomst van de dikke schijf is een flinke stap in de richting van een volledig begrip van spiraalstelsels.

Het volledige vakartikel kan hier ingezien worden.

Bron: AIP.