Vijf fascinerende onthullingen van Gaia over de Melkweg

1. De Melkweg is een galactische kannibaal

Astronomen hebben sinds de jaren negentig van de vorige eeuw het vermoeden dat de Melkweg is ontstaan uit botsingen tussen kleinere melkwegstelsels die in de loop van de miljarden jaren hebben plaatsgevonden. Aardse telescopen, zoals de Sloan Digital Sky Survey, gaven de eerste aanwijzingen voor het gewelddadige verleden van het melkwegstelsel. Met Gaia konden astronomen pas echt de processen deconstrueren die hebben geleid tot het ontstaan van het heelal dat ons omringt.

In 2018 ontdekte een team van de Rijksuniversiteit Groningen, onder leiding van de galactische archeologiedeskundige Amina Helmi, een groep van 30.000 sterren die zich synchroon beweegt in de nabijheid van de zon in de tegenovergestelde richting van de overige zeven miljoen sterren.

Dit atypische bewegingspatroon kwam overeen met wat de wetenschappers eerder hadden waargenomen in computersimulaties die galactische botsingen en fusies modelleren.

Deze sterren vielen ook op in het zogenaamde Hertzsprung-Russell-diagram, dat de kleur en helderheid van de sterren vergelijkt en aangeeft dat deze uit een ander sterrenstelsel komen, ofwel uit een ander sterrenstelsel.

“De verzameling sterren die we met Gaia hebben gevonden heeft alle eigenschappen van wat men zou verwachten van het puin van een galactische fusie,” zegt Amina.

Verdere analyse bevestigde dat de sterren, die nu deel uitmaken van de zogenaamde binnenste halo van de Melkweg en de buitenste laag van de galactische schijf, afkomstig moeten zijn van een ander melkwegstelsel. Dit melkwegstelsel, ook wel Gaia-Enceladus genoemd, moet zo'n 10 miljard jaar geleden in botsing zijn gekomen met de Melkweg. Ongeveer zo groot als één van de Magelhaense Wolken (twee satellietmelkwegstelsels die ongeveer tien keer kleiner zijn dan de huidige omvang van de Melkweg), is Gaia-Enceladus ingeslagen en geleidelijk aan opgeslokt door de Melkweg, die op dat moment slechts vier keer zo groot was als Gaia-Enceladus. De botsing moet de Melkweg dus zwaar hebben opgeschud.

De gewelddadige geschiedenis van de Melkweg eindigde echter niet met Gaia-Enceladus. In 2019 ontdekten astronomen in de Gaia-data een aanwijzing van een andere botsing met een kleiner melkwegstelsel, met de bijnaam Sequoia, en niet lang na Gaia-Enceladus de galactische schijf van de Melkweg had geraakt.

2. Sterren vormen zich in de Melkweg vanwege een galactische botsing

Gaia heeft ook licht geworpen op de wisselwerking met het dwergmelkwegstelsel Sagittarius, dat al miljarden jaren rond de kern van de Melkweg draait. 

Ontdekt in de jaren '90, Sagittarius bevat slechts enkele tientallen miljoenen sterren (in vergelijking met de honderden miljarden sterren van de Melkweg), wat het 10.000 keer minder massief maakt dan de Melkweg. Toen de zwaartekracht van de Melkweg Sagittarius dichterbij trok, begon het kleinere sterrenstelsel door de schijf van de Melkweg te breken. Dat gebeurde minstens drie keer in het verleden: zo'n vijf of zes miljard jaar geleden, twee miljard jaar geleden, en een miljard jaar geleden. Bij elke botsing heeft de Melkweg de sterren van Sagittarius gestript, waardoor het dwergmelkwegstelsel steeds kleiner werd. Uiteindelijk zal Sagittarius volledig worden opgeslokt door de Melkweg. Toch heeft de dwerg een diepgaand effect op de grotere kannibaal.  

Het misschien wel meest merkwaardige aspect van de wisselwerking van Sagittarius en de Melkweg werd beschreven in een paper dat in het voorjaar van 2020 werd gepubliceerd. Een team van onderzoekers van het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) in Tenerife (Spanje), ontdekte dat in de nasleep van elke crash van Sagittarius door de schijf van de Melkweg, de vorming van sterren in het melkwegstelsel versneld werd. In feite viel één van die perioden ongeveer samen met de vorming van de zon en het zonnestelsel zo'n 4,7 miljard jaar geleden.

De onderzoekers geloven dat elke botsing rimpelingen veroorzaakte in het interstellaire medium, als een rots die in het water wordt gegooid. Als gevolg daarvan nam de concentratie van gas en stof in sommige gebieden van de Melkweg toe tot het niveau dat de stervorming veroorzaakte.

“Na een aanvankelijk gewelddadig tijdperk van stervorming, deels veroorzaakt door een eerdere fusie, bereikte de Melkweg een evenwichtige staat waarin de sterren zich gestaag vormden,” zegt Tomás Ruiz-Lara, hoofdauteur van de studie. “De Melkweg was relatief rustig. Plotseling viel Sagittarius erin en verstoorde het evenwicht, waardoor al het eerder stilstaande gas en stof in het grotere sterrenstelsel als rimpelingen in het water rondslingerden.”

Het onderzoek bouwt voort op een studie van 2019 door een team van de Universiteit van Barcelona (Spanje), die de ware grootte en helderheid van miljoenen sterren heeft berekend die door Gaia zijn waargenomen. Uit de informatie over de grootte en de helderheid konden astronomen de leeftijd van de individuele sterren afleiden. De studie concludeerde dat de stervorming in de Melkweg sinds de vorming ervan was afgenomen tot ongeveer vijf miljard jaar geleden, toen het plotseling steeg.

Hoogstens de helft van de totale massa van alle sterren die ooit in de dunne schijf van de Melkweg zijn gemaakt, waarin de meeste sterren van het Melkwegstelsel zich bevinden, is in deze periode geproduceerd.

Het lijkt er nu op dat zonder de inval van het relatief kleine Sagittarius-melkwegstelsel de Melkweg er vandaag de dag heel anders uit zou hebben gezien en veel minder sterren zou hebben gehad.

“Dit is werkelijk de eerste keer dat we een gedetailleerde geschiedenis van de stervorming van de Melkweg zien,” zegt ESA's Gaia-projectwetenschapper Timo Prusti. “Het is een getuigenis van de wetenschappelijke kracht van Gaia die we in een periode van slechts een paar jaar in talloze baanbrekende studies steeds weer hebben zien verschijnen.”

3. De armen en de schijf van de Melkweg leven

Voor Gaia waren astronomen beperkt in hun pogingen om de structuur van de Melkweg te bestuderen. Ze wisten dat de Melkweg een zogenaamd spiraalvormig sterrenstelsel was - een pannenkoekachtige schijf van sterren met een patroon van spiraalvormige armen die rond een veel dichtere kern draaien.

De spiraalarmen zijn gebieden met dicht opeengepakt gas en stellaire materie die, wanneer deze in andere melkwegstelsels worden waargenomen, in blauwere tinten verschijnen dan de rest van de schijf, wat duidt op de warmere temperatuur van de sterren binnenin. Omdat hete sterren massieve sterren zijn en omdat massieve sterren jonge sterren zijn, kunnen astronomen zien dat spiraalvormige armen gebieden zijn waar sterren worden gevormd.

“Voor Gaia wisten we niet of er twee of vier spiraalvormige armen in de Melkweg waren,” zegt Sergey Khoperskov, een astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Natuurkunde in Duitsland. “Nu hebben we duidelijk bewijs dat het er vier zijn. Met Gaia kunnen we de afstand tot de sterren meten en zien waar deze dichter bij elkaar staan, wat een indicatie is voor een spiraalvormige arm.”

De zon bevindt zich in een van de twee kleinere armen, de Orion-arm, zo'n 26.000 lichtjaren verwijderd van het centrum van de Melkweg, en heeft in ongeveer 230 miljoen jaar een rotatie rond het centrum voltooid.

In een paper dat in januari 2020 werd gepubliceerd, keken Sergey en zijn collega's naar patronen in de dichtheid van de sterren in de Melkweg en vergeleken die met eerder beschikbare informatie.

“We identificeerden verschillende gebieden van stellaire overdensiteiten en we vergeleken die met de eerder bekende locatie van de spiraalvormige armen van de Melkweg,” zegt Sergey. “Ik denk dat het voor het eerst in de literatuur is dat we op zo'n grote schaal stellaire overdensiteiten hebben gevonden, in het gebied van zo'n 10 tot 13 duizend lichtjaren van de zon. Dit is het grootste beeld van de spiraalvormige armen van de Melkweg, direct gebaseerd op de waarneming van sterren.”

De aard van de spiraalvormige structuur in melkwegstelsels zoals de Melkweg is een punt van discussie sinds de eerste hints door Jan Oort in kaart werden gebracht met behulp van radiogolfwaarnemingen in de jaren vijftig van de vorige eeuw.

“Er zijn verschillende theorieën voor spiraalvormige armstructuurvorming,” zegt Sergey. “Veel astronomen geloven dat spiraalvormige armen kortstondige structuren zijn die worden veroorzaakt door een soort van zwaartekrachtinstabiliteit en dat deze binnen een paar rotaties verdwijnen en dan weer opduiken met een ander patroon.”

“Zodra we individuele sterren in de spiraalvormige armen identificeren, zullen we in staat zijn om de oorsprong te begrijpen,” vervolgt Sergey. “Omdat we de structuur, positie en verdeling kennen, kunnen we kijken naar de chemische samenstellingspatronen en proberen al die informatie beter te begrijpen.”

Volgens ESA's plaatsvervangend Gaia-projectwetenschapper Jos de Bruijne bevatten spiraalvormige armen niet dezelfde sterren in hun miljarden jaren van bestaan. Hij beschrijft spiraalvormige armen als verkeersopstoppingen, gebieden waar sterren zich concentreren terwijl deze wachten om door een soort flessenhals heen te wringen.

“De sterren gaan er aan de voorkant uit, maar de file blijft bestaan omdat de sterren zich aan de achterkant opstapelen,” zegt hij. “We weten nog steeds niet precies waarom deze files ontstaan en ik ben ervan overtuigd dat Gaia dit zal ophelderen.”

Naast deze hoofdstructuren heeft onderzoek op basis van Gaia-gegevens aangetoond dat de hele schijf van het melkwegstelsel levend is en zich op veel verschillende manieren en in veel verschillende richtingen beweegt als gevolg van de verschillende krachten die in het melkwegstelsel werken. De Melkweg wordt voortdurend verstoord door andere lichamen, dwergmelkwegstelsels en stellaire clusters, die er omheen draaien. Deze interacties laten blijvende afdrukken achter op de Melkweg, die honderden miljoenen jaren later kunnen worden waargenomen. Zo vond een team van de Universiteit van Barcelona in 2018 een groep van miljoenen sterren die een slakkenvormig positie- en bewegingspatroon in de schijf van de Melkweg volgden. Uit hun berekeningen bleek dat deze rimpeling hoogstwaarschijnlijk het gevolg was van één van de vroegere botsingen met het Sagittarius-melkwegstelsel.

De periodieke botsingen met Sagittarius zouden een diepgaand effect hebben gehad op de manier waarop sterren in de Melkweg bewegen. Sommigen beweren zelfs dat de 10.000 keer zo grote spiraalvormige structuur van de Melkweg het gevolg zou kunnen zijn van de botsingen met Sagittarius.

4. De Melkweg onttrekt en vangt sterren van andere sterrenstelsels en clusters

De Melkweg is ook voortdurend sterren aan het weghalen van dwergmelkwegstelsels en stellaire clusters waarmee het in wisselwerking staat. Op basis van Gaia-gegevens hebben astronomen stromen van sterren geïdentificeerd die zich vaak over afstanden van duizenden lichtjaren uitstrekken en een groot deel van de hemel boven ons hoofd bedekken.

Gegevens over zulke stromen kunnen sterrenkundigen helpen om de zwaartekracht en dus de massaverdeling van de Melkweg te beoordelen en zo te onthullen hoe sterrenstelsels sterren verwerven.

Gaia heeft ook sterren in de schijf van de Melkweg gevonden die met dergelijke snelheden reizen dat deze in staat zouden kunnen zijn om te ontsnappen aan de zwaartekracht van het Melkwegstelsel of uit andere melkwegstelsels zouden kunnen zijn verdreven en vervolgens gevangen door de Melkweg.

“Van de zeven miljoen Gaia-sterren met volledige 3D-snelheidsmetingen vonden we er twintig die snel genoeg konden reizen om uiteindelijk uit de Melkweg te ontsnappen,” legt Elena Maria Rossi uit, van de Universiteit van Leiden, een van de auteurs van een recente studie. “Echter, in plaats van weg te vliegen van het galactische centrum, lijken de meeste van de hogesnelheidssterren die we hebben gezien er naartoe te racen.”

Het is mogelijk dat deze intergalactische interlopers afkomstig zijn van de Grote Magelhaense Wolk, een relatief klein melkwegstelsel dat rond de Melkweg draait, of deze kunnen afkomstig zijn van een melkwegstelsel dat nog verder weg ligt.

“Sterren kunnen worden versneld tot hoge snelheden wanneer deze in wisselwerking staan met een supermassief zwart gat,” legt Elena uit. “De aanwezigheid van deze sterren zou een teken kunnen zijn van dergelijke zwarte gaten in nabije sterrenstelsels. Echter, de sterren kunnen ook ooit deel hebben uitgemaakt van een dubbelsterrensysteem in een ander melkwegstelsel, dat naar de Melkweg werd geslingerd toen hun metgezelster als een supernova explodeerde.”

Als deze sterren uit andere melkwegstelsels komen, zouden deze de afdruk van hun plaats van herkomst dragen. Deze zouden een uniek inzicht kunnen geven in verre universa die anders veel moeilijker te bestuderen zouden zijn.

De astronomen geven echter toe dat deze sprintende sterren afkomstig zouden kunnen zijn van de halo van onze Melkweg, versneld en naar binnen geduwd door interacties met één van de dwergmelkwegstelsels die in de loop van zijn opbouwfase naar de Melkweg vielen. Meer informatie over de leeftijd en de samenstelling van de sterren zou de astronomen kunnen helpen om hun oorsprong te verduidelijken.

“Een ster uit de Melkweghalo is waarschijnlijk vrij oud en meestal gemaakt van waterstof, terwijl sterren uit andere melkwegstelsels veel zwaardere elementen kunnen bevatten,” zegt co-auteur van de studie Tommaso Marchetti. “Kijkend naar de kleuren van de sterren vertelt ons meer over waar deze van gemaakt zijn.”

5. De zon surft op een mysterieuze golf van gas in de Melkweg

In 2019 ontdekten drie wetenschappers die verbonden zijn aan het Radcliffe Institute for Advanced Studies of Harvard University dat interstellaire gaswolken in de galactische buurt van de zon een 9000 lichtjaren lange golf vormen die ongeveer 500 lichtjaren boven en onder de galactische schijf golft. De 400 lichtjaren brede golf maakt deel uit van wat astronomen beschrijven als de Lokale Arm, een kleine spiraalvormige arm van de Melkweg dicht bij de zon.

Interstellaire gaswolken zijn interessant voor onderzoekers omdat deze sterren voortbrengen als deze instorten. Voorafgaand aan de ontdekking in 2019 werd aangenomen dat dergelijke wolken in de buurt van de zon geconcentreerd zijn in de zogenaamde Gould-gordel, een ring van jonge sterren, gas en stof die boven en onder het galactische vlak buigen.

“Wat we in plaats daarvan hebben waargenomen is de grootste coherente gasstructuur die we kennen in de Melkweg, niet georganiseerd in een ring maar in een massieve, golvende, smalle en rechte gloeidraad,” zegt João Alves, een professor in Stellaire astrofysica aan de Universiteit van Wenen, een 2018-2019 Radcliffe fellow, en een van de drie wetenschappers die de structuur ontdekte, nu de Radcliffe Wave genaamd, naar het Radcliffe Institute.

De zon ligt slechts 500 lichtjaren van de golf op het dichtstbijzijnde punt en lijkt bijna te surfen. Volgens bestaande modellen, heeft de zon in feite de golf slechts circa 13 miljoen jaar geleden overgestoken en zal dit in de toekomst steeds weer doen.

“De golf bevond zich de hele tijd recht voor onze neus, maar we konden deze tot nu toe niet zien,” voegt João toe.

Alyssa Goodman, professor in Toegepaste astronomie en co-directeur van het Wetenschapsprogramma aan het Radcliffe Institute of Advanced Study, zegt: “We waren volledig geschokt toen we ons voor het eerst realiseerden hoe lang en recht de Radcliffe Wave is als we van bovenaf in 3D naar beneden kijken, maar ook hoe sinusvormig deze is als we vanaf de aarde kijken. Het bestaan van de Golf dwingt ons om ons begrip van de 3D-structuur van de Melkweg te heroverwegen.”

De wetenschappers weten niet wat de oorzaak is van deze onverwachte, golvende vorm. Een botsing in het verleden met een massief lichaam, bijvoorbeeld een dwergmelkwegstelsel, zou een mogelijke verklaring kunnen zijn, maar verdere studies en meer Gaia-gegevens zijn nodig om echt een goed inzicht te verkrijgen. 

In ieder geval dagen de bevindingen de astronomen uit om de theorieën over de verdeling van het gas in de buurt van de zon te herzien.