Wij leven in het Melkwegstelsel, en dat is een probleem.
Voor wetenschappers, wel te verstaan, die willen begrijpen hoe groot ons melkwegstelsel is. Dat is moeilijk te beantwoorden! Omdat wij er in zitten, bijvoorbeeld, wordt veel ervan aan het zicht onttrokken door ondoorzichtige stofwolken. Het kan ook moeilijk zijn om vat te krijgen op de omvang en vorm van een object waar je in zit. Als je in een kamer in een huis bent, hoe kun je dan zien hoe groot het huis is?
Gelukkig geeft de natuur aanwijzingen. We zien een vage band van licht aan de hemel, en noemen het de Melkweg – het is eigenlijk het gecombineerde licht van miljarden verre sterren. Het is een dikke lijn, en dat vertelt ons dat een groot deel van het melkwegstelsel plat is: We bevinden ons in een dikke schijf van sterren, dus we zien het geprojecteerd als een stroom licht aan de hemel.
We kunnen ook een uitstulping van sterren in het midden zien, die echt is. Spiraalarmen in de schijf zijn moeilijker waar te nemen, maar radiowaarnemingen laten ze duidelijk zien, en stellen ons in staat de vorm en structuur van het melkwegstelsel duidelijk naar de andere kant in kaart te brengen. Door naar sterren te kijken die op een voorspelbare manier van helderheid veranderen, kunnen we de vorm en de omvang van de schijf meten, en vaststellen dat deze krom is (als de rand van een fedora), en maar liefst 120.000 lichtjaar in doorsnee is – 120 quadriljoen kilometer!
De kromming van de Melkweg is duidelijk te zien wanneer de locaties van de cepheïdensterren worden afgezet tegen een kaart van het melkwegstelsel, gezien vanaf de rand. Ook de uitdijing (verdikking van de schijf naarmate de afstand tot het centrum toeneemt) is duidelijk. Credit: J. Skowron / OGLE / Astronomical Observatory, University of Warsaw
We weten ook dat sterrenstelsels zoals het onze worden omgeven door een enorme halo van sterren en ook donkere materie. Die laatste bestaat uit we-weet-niet-wat, waarschijnlijk een exotische vorm van subatomaire deeltjes, die via de zwaartekracht invloed uitoefenen op het sterrenstelsel. Qua massa is het veel groter dan wat wij “normale” materie noemen (hoewel, als je erover nadenkt, als er meer donkere materie is dan zou dat moeten zijn wat wij normaal noemen), waarschijnlijk met een factor vijf of meer.
Maar hoe groot is deze halo? Het is verreweg de grootste structuur in ons melkwegstelsel, en het bepaalt aantoonbaar hoe groot de Melkweg werkelijk is, maar het is buitengewoon zwak of onzichtbaar voor onze ogen, dus het is moeilijk om de grootte te bepalen.
De structuur van de Melkweg: Een afgeplatte schijf met spiraalarmen (van voren gezien, links, en van achteren gezien, rechts), met een centrale uitstulping, een halo, en meer dan 150 bolvormige sterrenhopen. De plaats van de zon ongeveer halverwege is aangegeven. Krediet: Links: NASA/JPL-Caltech; rechts: ESA; opmaak: ESA/ATG medialab
Een team van astronomen heeft zich onlangs over deze kwestie gebogen. Ze gebruikten computermodellen over de vorming en evolutie van sterrenstelsels om te zien of de halo van een sterrenstelsel als de Melkweg een natuurlijke rand heeft, iets waarop je een bordje kunt planten en zeggen: “Hier eindigt het sterrenstelsel.” Het is niet zo eenvoudig – halo’s hebben de neiging geleidelijk te vervagen in plaats van tot stilstand te komen – maar met behulp van zowel deze modellen als waarnemingen van kleinere sterrenstelsels om ons heen, ontdekten zij dat de halo van de Melkweg zich uitstrekt tot 950.000 lichtjaar van het centrum, wat betekent dat ons sterrenstelsel twee keer zo groot is: 1,9 miljoen lichtjaar.
Een opmerking van voorzichtigheid, echter; de onzekerheid op dit punt is ongeveer ±200.000 lichtjaar. Het is niet precies. Maar, zoals ik hierboven al zei, ze meten niet echt een rand.
Ook de manier waarop dit is gedaan, is interessant. In de begintijd van het heelal werden sterrenstelsels gevormd uit wolken van gas en donkere materie. Meestal was al deze materie verspreid, maar er waren lokale plaatsen met een hogere dichtheid, zodat materie (letterlijk) daarnaartoe trok. Zodra zich een kern van materiaal vormde, viel er materiaal van verder weg in, en dan weer materiaal verder weg, enzovoort. Het is een binnenstebuiten proces.
De halo zou zich vormen uit materiaal dat vrij ver weg ligt. Het zou in de richting van het ontluikende sterrenstelsel vallen, en veel ervan zou weer naar buiten zwaaien. Dit vormt twee soort randen aan de halo. De ene heet de “splashback” rand, waar materiaal vanuit de halo naar binnen zou vallen en dan weer naar buiten; waar het vertraagd tot stilstand komt, definieert dat gebied. Materie stapelt zich daar op omdat het langzaam beweegt, en dus krijg je net daarbuiten een grote afname in dichtheid.
Een andere rand ligt dichter bij het centrum, en wordt de “2e bijtende stof” genoemd. Dit is waar materiaal een paar keer rond het melkwegstelsel is gevallen en een beetje tot rust is gekomen (wat astronomen “gevirialiseerd” materiaal noemen). De wetenschappers in dit nieuwe werk gebruikten die tweede om de grootte van de Melkweg te achterhalen, omdat de buitenste de neiging heeft te overlappen met halo’s van andere sterrenstelsels (zoals Andromeda, dat op 2,5 miljoen lichtjaar afstand ligt) en ook omdat zij ontdekten dat deze afstand zowel werkt bij het modelleren van donkere materie als van sterren.
Ze keken ook naar het gedrag van dwergstelsels in onze Lokale Groep van melkwegstelsels, en ontdekten dat die dichter bij de Melkweg dan deze 2e bijsmaak de neiging hebben om met een andere snelheid door de ruimte te bewegen dan die verder weg. Zij merken op dat dit toeval kan zijn, maar het zou ook een fysieke relatie kunnen zijn die zij gravitationeel met de Melkweg hebben. Als dat zo is, is dat meer bewijs dat dit een goede keuze is voor de limiet.
Dus zie je wel. We leven op een planeet die in een baan om een ster draait, ongeveer 40% van de weg van het centrum naar de rand van de schijf in een spiraalvormig sterrenstelsel met een veel grotere halo die bijna twee miljoen lichtjaar in doorsnee is. Niet het grootste sterrenstelsel dat we kennen, maar ook niet een om te versmaden.