Het leven van sterrenstelsels en de geschiedenis van hun studie

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De geschiedenis van de studie van planeten en sterren wordt gemeten in millennia, de zon, kometen, asteroïden en meteorieten - in eeuwen. Maar sterrenstelsels, verspreid over het heelal, clusters van sterren, kosmisch gas en stofdeeltjes, werden pas in de jaren twintig het onderwerp van wetenschappelijk onderzoek.

Sterrenstelsels worden al sinds mensenheugenis waargenomen. Een persoon met een scherp gezichtsvermogen kan lichte vlekken in de nachtelijke hemel onderscheiden, vergelijkbaar met melkdruppels. In de 10e eeuw noemde de Perzische astronoom Abd-al-Raman al-Sufi in zijn Book of Fixed Stars twee vergelijkbare plekken, nu bekend als de Grote Magelhaense Wolk en het sterrenstelsel M31, ook bekend als Andromeda.

Met de komst van telescopen hebben astronomen steeds meer van deze objecten, nevels genaamd, waargenomen. Als de Engelse astronoom Edmund Halley in 1716 slechts zes nevels opsomde, dan bevatte de catalogus die in 1784 door de Franse marine-astronoom Charles Messier werd gepubliceerd al 110 - waaronder vier dozijn echte sterrenstelsels (inclusief M 31).

In 1802 publiceerde William Herschel een lijst van 2500 nevels, en zijn zoon John publiceerde in 1864 een catalogus van meer dan 5000 nevels.

Onze naaste buur, het Andromeda-sterrenstelsel (M31), is een van de favoriete hemellichamen voor amateurastronomische observaties en fotografie.

De aard van deze objecten is lang aan begrip ontgaan. In het midden van de 18e eeuw zagen enkele kritische geesten in hen stellaire systemen die vergelijkbaar waren met de Melkweg, maar telescopen boden destijds geen gelegenheid om deze hypothese te testen.

Een eeuw later heerste de mening dat elke nevel een gaswolk is die van binnenuit wordt verlicht door een jonge ster. Later waren astronomen ervan overtuigd dat sommige nevels, waaronder Andromeda, veel sterren bevatten, maar het was lange tijd niet duidelijk of ze zich in onze Melkweg of daarbuiten bevinden.

Pas in 1923-1924 stelde Edwin Hubble vast dat de afstand van de aarde tot Andromeda minstens drie keer de diameter van de Melkweg was (in feite ongeveer 20 keer) en dat M 33, een andere nevel uit de Messier-catalogus, geen minder ver van ons verwijderd. Deze resultaten markeerden het begin van een nieuwe wetenschappelijke discipline - galactische astronomie.

In 1926 stelde de beroemde Amerikaanse astronoom Edwin Powell Hubble voor (en moderniseerde hij in 1936) zijn classificatie van sterrenstelsels op basis van hun morfologie. Vanwege zijn karakteristieke vorm wordt deze classificatie ook wel de "Hubble Stemvork" genoemd.

Op de "steel" van de stemvork bevinden zich elliptische sterrenstelsels, op de uitsteeksels van de vork - lenticulaire sterrenstelsels zonder mouwen en spiraalstelsels zonder staafbrug en met een staaf. Sterrenstelsels die niet als een van de genoemde klassen kunnen worden geclassificeerd, worden onregelmatig of onregelmatig genoemd.

Dwergen en reuzen

Het heelal is gevuld met sterrenstelsels van verschillende groottes en massa's. Hun aantal is bij benadering bekend. In 2004 ontdekte de Hubble-telescoop in een baan om de aarde ongeveer 10.000 sterrenstelsels in drie en een halve maand, waarbij hij in het zuidelijke sterrenbeeld Fornax een gebied van de hemel aftastte dat honderd keer kleiner is dan het gebied van de maanschijf.

Als we aannemen dat sterrenstelsels met dezelfde dichtheid over de hemelbol zijn verdeeld, blijken er 200 miljard in de waargenomen ruimte te zijn. Deze schatting wordt echter sterk onderschat, omdat de telescoop een groot aantal zeer zwakke sterrenstelsels niet heeft kunnen waarnemen.

Vorm en inhoud

Sterrenstelsels verschillen ook in morfologie (dat wil zeggen in vorm). Over het algemeen zijn ze onderverdeeld in drie hoofdklassen: schijfvormig, elliptisch en onregelmatig (onregelmatig). Dit is een algemene classificatie, er zijn veel meer gedetailleerde.

Sterrenstelsels zijn helemaal niet willekeurig verdeeld in de ruimte. Massieve sterrenstelsels worden vaak omringd door kleine satellietstelsels. Zowel onze Melkweg als het naburige Andromeda hebben minstens 14 satellieten, en hoogstwaarschijnlijk zijn er nog veel meer. Sterrenstelsels verenigen zich graag in paren, drielingen en grotere groepen van tientallen aan zwaartekracht gebonden partners.

De grotere associaties, galactische clusters, bevatten honderden en duizenden sterrenstelsels (de eerste van dergelijke clusters werd ontdekt door Messier). Soms wordt in het centrum van de cluster een bijzonder helder gigantisch sterrenstelsel waargenomen, waarvan wordt aangenomen dat het is ontstaan tijdens het samensmelten van kleinere sterrenstelsels.

En tot slot zijn er ook superclusters, die zowel galactische clusters en groepen als individuele sterrenstelsels omvatten. Meestal zijn dit langwerpige structuren tot honderden megaparsecs lang. Ze worden van elkaar gescheiden door bijna volledig melkwegvrije ruimteholten van dezelfde grootte.

Superclusters zijn niet langer georganiseerd in structuren van een hogere orde en zijn op een willekeurige manier door de kosmos verspreid. Om deze reden is ons heelal op een schaal van enkele honderden megaparsecs homogeen en isotroop.

Een schijfvormig sterrenstelsel is een stellaire pannenkoek die rond een as draait die door zijn geometrische centrum gaat. Meestal is er aan beide zijden van de centrale zone van de pannenkoek een ovale uitstulping (van de Engelse uitstulping). De uitstulping roteert ook, maar met een lagere hoeksnelheid dan de schijf. In het vlak van de schijf worden vaak spiraalvormige takken waargenomen, die overvloedig aanwezig zijn in relatief jonge heldere armaturen. Er zijn echter galactische schijven zonder spiraalstructuur, waar veel minder van dergelijke sterren zijn.

De centrale zone van een schijfvormig sterrenstelsel kan worden doorgesneden door een stellaire staaf - een staaf. De ruimte in de schijf is gevuld met een gas- en stofmedium - het bronmateriaal voor nieuwe sterren en planetaire systemen. De melkweg heeft twee schijven: stellaire en gasvormige.

Ze zijn omgeven door een galactische halo - een bolvormige wolk van ijl heet gas en donkere materie, die de belangrijkste bijdrage levert aan de totale massa van de melkweg. De halo bevat ook individuele oude sterren en bolvormige sterrenhopen (bolvormige sterrenhopen) tot 13 miljard jaar oud. In het centrum van bijna elk schijfvormig sterrenstelsel, met of zonder uitstulping, bevindt zich een superzwaar zwart gat. De grootste sterrenstelsels van dit type bevatten elk 500 miljard sterren.

Melkweg

De zon draait om het centrum van een heel gewoon spiraalstelsel, dat 200-400 miljard sterren omvat. De diameter is ongeveer 28 kiloparsec (iets meer dan 90 lichtjaar). De straal van de intragalactische baan van de zon is 8,5 kiloparsec (zodat onze ster wordt verplaatst naar de buitenrand van de galactische schijf), de tijd van een volledige omwenteling rond het centrum van de Melkweg is ongeveer 250 miljoen jaar.

De uitstulping van de Melkweg is elliptisch van vorm en heeft een balk die onlangs is ontdekt. In het midden van de uitstulping bevindt zich een compacte kern gevuld met sterren van verschillende leeftijden - van enkele miljoenen jaren tot een miljard jaar en ouder. In de kern, achter dichte stofwolken, bevindt zich naar galactische maatstaven een vrij bescheiden zwart gat - slechts 3,7 miljoen zonsmassa's.

Onze Melkweg heeft een dubbele stellaire schijf. De binnenste schijf, die verticaal niet meer dan 500 parsec heeft, is goed voor 95% van de sterren in de schijfzone, inclusief alle jonge heldere sterren. Het is omgeven door een buitenste schijf van 1500 parsecs dik, waar oudere sterren leven. De gasvormige (meer precies, gas-stof) schijf van de Melkweg is minstens 3,5 kiloparsec dik. De vier spiraalarmen van de schijf zijn gebieden met een verhoogde dichtheid van het gas-stofmedium en bevatten de meeste van de zwaarste sterren.

De diameter van de halo van de Melkweg is minstens twee keer de diameter van de schijf. Er zijn daar ongeveer 150 bolvormige sterrenhopen ontdekt en hoogstwaarschijnlijk zijn er nog ongeveer vijftig nog niet ontdekt. De oudste clusters zijn meer dan 13 miljard jaar oud. De halo is gevuld met donkere materie met een klonterige structuur.

Tot voor kort werd aangenomen dat de halo bijna bolvormig is, maar volgens de laatste gegevens kan deze aanzienlijk worden afgeplat. De totale massa van de Melkweg kan oplopen tot 3 biljoen zonsmassa's, waarbij donkere materie 90-95% uitmaakt. De massa van sterren in de Melkweg wordt geschat op 90-100 miljard keer de massa van de zon.

Een elliptisch sterrenstelsel is, zoals de naam al doet vermoeden, ellipsvormig. Het roteert niet als geheel en heeft daarom geen axiale symmetrie. De sterren, die meestal een relatief lage massa en een aanzienlijke leeftijd hebben, draaien om het galactische centrum in verschillende vlakken en soms niet afzonderlijk, maar in zeer langgerekte ketens.

Nieuwe armaturen in elliptische sterrenstelsels lichten zelden op vanwege een tekort aan grondstoffen - moleculaire waterstof.

Net als mensen zijn sterrenstelsels gegroepeerd. Onze Lokale Groep omvat de twee grootste sterrenstelsels in de buurt van ongeveer 3 megaparsecs - de Melkweg en Andromeda (M 31), het Triangulum-stelsel, evenals hun satellieten - de Grote en Kleine Magelhaense Wolken, dwergstelsels in Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix en vele anderen - in totaal ongeveer vijftig. De lokale groep is op zijn beurt lid van de lokale Maagd-supercluster.

Zowel de grootste als de kleinste sterrenstelsels zijn van het elliptische type. Het totale aandeel van zijn vertegenwoordigers in de galactische populatie van het heelal is slechts ongeveer 20%. Deze sterrenstelsels (met de mogelijke uitzondering van de kleinste en zwakste) verbergen ook superzware zwarte gaten in hun centrale zones. Elliptische sterrenstelsels hebben ook halo's, maar niet zo duidelijk als die van schijfvormige.

Alle andere sterrenstelsels worden als onregelmatig beschouwd. Ze bevatten veel stof en gas en produceren actief jonge sterren. Er zijn maar weinig van dergelijke sterrenstelsels op gematigde afstanden van de Melkweg, slechts 3%.

Bij objecten met een grote roodverschuiving, waarvan het licht niet later dan 3 miljard jaar na de oerknal werd uitgestraald, neemt hun aandeel echter sterk toe. Blijkbaar waren alle sterrenstelsels van de eerste generatie klein en hadden ze onregelmatige contouren, en veel later ontstonden grote schijfvormige en elliptische sterrenstelsels.

Geboorte van sterrenstelsels

Sterrenstelsels werden kort na sterren geboren. Er wordt aangenomen dat de eerste armaturen niet later dan 150 miljoen jaar na de oerknal flitsten. In januari 2011 rapporteerde een team van astronomen dat informatie van de Hubble-ruimtetelescoop verwerkte, de waarschijnlijke waarneming van een sterrenstelsel waarvan het licht 480 miljoen jaar na de oerknal de ruimte in ging.

In april ontdekte een ander onderzoeksteam een sterrenstelsel dat naar alle waarschijnlijkheid al volledig gevormd was toen het jonge universum ongeveer 200 miljoen jaar oud was.

De voorwaarden voor de geboorte van sterren en sterrenstelsels ontstonden lang voordat het begon. Toen het universum de grens van 400.000 jaar passeerde, werd plasma in de ruimte vervangen door een mengsel van neutraal helium en waterstof. Dit gas was nog te heet om samen te smelten in de moleculaire wolken waaruit sterren ontstaan.

Het grensde echter aan deeltjes donkere materie, die aanvankelijk niet helemaal gelijkmatig in de ruimte waren verdeeld - waar het een beetje dichter is, waar het ijler is. Ze hadden geen interactie met het baryonische gas en vielen daarom, onder invloed van wederzijdse aantrekking, vrij ineen in zones met verhoogde dichtheid.

Volgens modelberekeningen vormden zich binnen honderd miljoen jaar na de oerknal wolken van donkere materie ter grootte van het huidige zonnestelsel in de ruimte. Ze combineerden tot grotere structuren, ondanks de uitbreiding van de ruimte. Dit is hoe de clusters van donkere materiewolken zijn ontstaan, en vervolgens de clusters van deze clusters. Ze zogen ruimtegas naar binnen, waardoor het dikker werd en instortte.

Op deze manier verschenen de eerste superzware sterren, die snel explodeerden tot supernova's en zwarte gaten achterlieten. Deze explosies verrijkten de ruimte met elementen die zwaarder zijn dan helium, wat hielp om de instortende gaswolken af te koelen en daardoor het verschijnen van minder massieve tweede generatie sterren mogelijk maakte.

Dergelijke sterren zouden al miljarden jaren kunnen bestaan en waren daarom in staat om (opnieuw met behulp van donkere materie) zwaartekrachtgebonden systemen te vormen. Dit is hoe langlevende sterrenstelsels zijn ontstaan, inclusief de onze.

"Veel details van galactogenese zijn nog steeds verborgen in de mist", zegt John Kormendy. - Dit geldt in het bijzonder voor de rol van zwarte gaten. Hun massa's variëren van tienduizenden zonsmassa's tot het huidige absolute record van 6,6 miljard zonsmassa's, behorend tot een zwart gat uit de kern van het elliptische sterrenstelsel M87, op 53,5 miljoen lichtjaar van de zon.

Gaten in de centra van elliptische sterrenstelsels zijn meestal omgeven door uitstulpingen van oude sterren. Spiraalstelsels hebben misschien helemaal geen uitstulpingen of hebben hun platte overeenkomsten, pseudo-uitstulpingen. De massa van een zwart gat is gewoonlijk drie ordes van grootte minder dan de massa van de uitstulping - natuurlijk, als deze aanwezig is. Dit patroon wordt bevestigd door waarnemingen die gaten bedekken met een massa van een miljoen tot een miljard zonsmassa's."

Volgens professor Kormendy winnen galactische zwarte gaten op twee manieren aan massa. Het gat, omgeven door een volwaardige uitstulping, groeit door de absorptie van gas dat vanuit de buitenste zone van de melkweg naar de uitstulping komt. Tijdens het samensmelten van sterrenstelsels neemt de intensiteit van de instroom van dit gas sterk toe, wat uitbarstingen van quasars initieert.

Dientengevolge evolueren uitstulpingen en gaten parallel, wat de correlatie tussen hun massa's verklaart (echter, andere, nog onbekende mechanismen kunnen ook werken).

Onderzoekers van de University of Pittsburgh, UC Irvine en de Atlantic University of Florida hebben de botsing van de Melkweg en de voorloper van de Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) in Boogschutter gemodelleerd.

Ze analyseerden twee opties voor botsingen - met een eenvoudige (3x10¹⁰zonnemassa's) en zwaar (10¹¹ zonnemassa's) SagDEG. De figuur toont de resultaten van 2,7 miljard jaar evolutie van de Melkweg zonder interactie met een dwergstelsel en met interactie met de lichte en zware variant van SagDEG.

Kaalvrije sterrenstelsels en sterrenstelsels met pseudo-uitstulpingen zijn een andere zaak. De massa's van hun gaten zijn meestal niet groter dan 104-106 zonsmassa's. Volgens professor Kormendy worden ze gevoed met gas als gevolg van willekeurige processen die plaatsvinden in de buurt van het gat, en strekken ze zich niet uit over de hele melkweg. Zo'n gat groeit ongeacht de evolutie van de melkweg of zijn pseudo-bulge, wat het gebrek aan correlatie tussen hun massa's verklaart.

Groeiende sterrenstelsels

Sterrenstelsels kunnen zowel in omvang als in massa toenemen. "In het verre verleden deden sterrenstelsels dit veel efficiënter dan in recente kosmologische tijdperken", legt Garth Illingworth uit, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. - De geboortesnelheid van nieuwe sterren wordt geschat in termen van de jaarlijkse productie van een eenheidsmassa van stellaire materie (in deze hoedanigheid de massa van de zon) per volume-eenheid van de ruimte (meestal een kubieke megaparsec).

Ten tijde van de vorming van de eerste sterrenstelsels was dit cijfer erg klein en begon het toen snel te groeien, wat doorging tot het heelal 2 miljard jaar oud was. Gedurende nog eens 3 miljard jaar was het relatief constant en begon toen bijna evenredig met de tijd af te nemen, en deze daling zet zich voort tot op de dag van vandaag. Dus 7-8 miljard jaar geleden was de gemiddelde snelheid van stervorming 10-20 keer hoger dan de huidige. De meeste waarneembare sterrenstelsels waren al volledig gevormd in dat verre tijdperk."

De figuur toont de resultaten van evolutie op verschillende tijdstippen - de initiële configuratie (a), na 0, 9 (b), 1, 8 © en 2, 65 miljard jaar (d). Volgens modelberekeningen zouden de staaf- en spiraalarmen van de Melkweg gevormd kunnen zijn als gevolg van botsingen met SagDEG, die aanvankelijk 50-100 miljard zonsmassa's trok.

Tweemaal ging het door de schijf van onze Melkweg en verloor een deel van zijn materie (zowel gewone als donkere), waardoor de structuur werd verstoord. De huidige massa van SagDEG is niet groter dan tientallen miljoenen zonsmassa's, en de volgende botsing, die niet later dan 100 miljoen jaar later wordt verwacht, zal hoogstwaarschijnlijk de laatste zijn.

In het algemeen is deze trend begrijpelijk. Sterrenstelsels groeien op twee manieren. Ten eerste verkrijgen ze vers starburst-materiaal door gas- en stofdeeltjes uit de omringende ruimte aan te zuigen. Gedurende enkele miljarden jaren na de oerknal werkte dit mechanisme naar behoren, simpelweg omdat er genoeg stellaire grondstof in de ruimte was voor iedereen.

Toen de reserves uitgeput raakten, daalde het geboortecijfer van sterren. Melkwegstelsels hebben echter het vermogen gevonden om het te vergroten door botsingen en fusies. Toegegeven, om deze optie te realiseren, moeten de botsende sterrenstelsels een behoorlijke voorraad interstellaire waterstof hebben. Voor grote elliptische sterrenstelsels, waar het praktisch verdwenen is, helpt samensmelten niet, maar in schijfvormige en onregelmatige sterrenstelsels werkt het wel.

Ramkoers

Laten we eens kijken wat er gebeurt als twee ongeveer identieke schijf-type sterrenstelsels samensmelten. Hun sterren botsen bijna nooit - de afstanden tussen hen zijn te groot. De gasvormige schijf van elk sterrenstelsel ondervindt echter getijdenkrachten als gevolg van de zwaartekracht van zijn buurman. De baryonische materie van de schijf verliest een deel van het impulsmoment en verschuift naar het centrum van de melkweg, waar voorwaarden ontstaan voor een explosieve groei in de snelheid van stervorming.

Een deel van deze stof wordt opgenomen door zwarte gaten, die ook aan massa winnen. In de laatste fase van de eenwording van sterrenstelsels smelten zwarte gaten samen en verliezen de stellaire schijven van beide sterrenstelsels hun vroegere structuur en worden ze verspreid in de ruimte. Als resultaat wordt één elliptische trainer gevormd uit een paar spiraalvormige sterrenstelsels. Maar dit is zeker niet het volledige plaatje. Straling van jonge heldere sterren kan een deel van de waterstof uit het pasgeboren sterrenstelsel blazen.

Tegelijkertijd dwingt de actieve aanwas van gas op het zwarte gat het zwarte gat van tijd tot tijd om enorme energiedeeltjes de ruimte in te schieten, waardoor gas door het hele melkwegstelsel wordt verwarmd en zo de vorming van nieuwe sterren wordt voorkomen. De melkweg wordt stilaan stil - hoogstwaarschijnlijk voor altijd.

Sterrenstelsels van verschillende grootte botsen anders. Een groot sterrenstelsel is in staat een dwergstelsel op te slokken (in één keer of in meerdere stappen) en tegelijkertijd zijn eigen structuur te behouden. Dit galactische kannibalisme kan ook de stervorming stimuleren.

Het dwergstelsel is volledig vernietigd en laat kettingen van sterren en stralen van kosmisch gas achter, die zowel in onze Melkweg als in het naburige Andromeda worden waargenomen. Als een van de botsende sterrenstelsels niet te superieur is aan de andere, zijn er nog interessantere effecten mogelijk.

Wachten op de supertelescoop

Galactische astronomie heeft bijna een eeuw overleefd. Ze begon praktisch vanaf nul en heeft veel bereikt. Het aantal onopgeloste problemen is echter zeer groot. Wetenschappers verwachten veel van de James Webb Infrared Orbiting Telescope, die in 2021 zou worden gelanceerd.