Staar je naar de donkere nachthemel, dan zie je sterren die in alle richtingen verspreid staan. Misschien staan er hier een paar meer dan daar, maar over het algemeen zijn de sterren min of meer gelijkmatig over de nachthemel verdeeld.

Als je je echter op een bijzonder donkere plek bevindt, zie je een vage band van licht aan de hemel. En als je met een telescoop in de richting van deze band kijkt, zie je veel meer sterren.

De Italiaanse wetenschapper Galileo Galilei was de eerste die dit deed, en bevestigde daarmee het meer dan 2000 jaar oude geloof dat de band, die millennia lang de ‘Melkweg’ werd genoemd van het Griekse galaxías kýklos, bestond uit ontelbare verre sterren.

Het idee begon zich te vormen dat het Zonnestelsel zich in een afgeplatte sterrenklomp bevond, want als men langs deze ‘schijf’ keek, zag men een overvloed aan sterren, terwijl er minder te zien waren als men van de schijf wegkeek.

Naast de sterren zag men een aantal vage klodders, waarvan men eerst dacht dat ze binnenin de Melkweg lagen. Men geloofde eenvoudigweg dat de Melkweg alles was wat er bestond – het was het hele heelal. De Duitse filosoof Immanuel Kant stelde echter voor dat de Melkweg slechts ons heelal was, terwijl de vage klodders – of nevels – verre ‘eiland-heelals’ waren, ver weg van het onze.

Op dat moment waren dergelijke gedachten slechts speculaties, maar met de introductie van de camera en grote telescopen realiseerden astronomen zich, slechts 100 jaar geleden, dat ons melkwegstelsel – dat de eiland-universa tegenwoordig worden genoemd – er slechts één is uit een schijnbaar oneindig aantal klompen sterren die om elkaar heen draaien en bij elkaar worden gehouden door de zwaartekracht.

Waar de afstand tussen sterren binnen een sterrenstelsel doorgaans enkele lichtjaren bedraagt, worden afstanden tussen sterrenstelsels gemeten in miljoenen lichtjaren. Tussen sterrenstelsels is er in feite niets – ongeveer 1 atoom per kubieke meter.

De kleinste sterrenstelsels bevatten een paar miljoen sterren, terwijl de grootste er triljoenen bevatten. De Melkweg, die als een typisch sterrenstelsel kan worden beschouwd, bevat een paar honderd miljard sterren.

In dit artikel zal ik uitleggen wat een sterrenstelsel is, waar het van gemaakt is, en welke verschillende soorten er bestaan. In een volgend ScienceNordic-artikel zullen we bekijken hoe de sterrenstelsels überhaupt zijn ontstaan.

Waar zijn sterrenstelsels van gemaakt?

Vijf of zes dingen kunnen worden aangewezen als de bouwsteen van sterrenstelsels: sterren, gas, stof, superzware zwarte gaten, donkere materie en, misschien, planeten.

Zwarte sterren, zoals hierboven geschetst, zijn er in overvloed. Sterren leven lang, maar niet eeuwig. Wanneer zij hun brandstof uitputten en sterven, laten zij witte dwergen, neutronensterren of zwarte gaten achter.

Maar, hoewel het in het algemeen de sterren zijn die ons in staat stellen de melkwegstelsels te zien, maken zij in feite slechts een klein deel uit van de totale massa van het melkwegstelsel.

Sterren zijn gemaakt van gas, maar tussen de sterren – in het zogenaamde interstellaire medium – bevinden zich ook grote hoeveelheden gas.

In kleine sterrenstelsels kan er evenveel interstellair gas als stergas zijn, terwijl de fractie afneemt met de grootte van het sterrenstelsel.

Het interstellaire medium is verdeeld in verschillende fasen. Sommige gebieden zijn diffuus en extreem heet, met temperaturen van miljoenen graden. In deze gebieden is het gas geïoniseerd, wat betekent dat van de meeste atomen een of meer elektronen zijn afgescheurd als gevolg van de hoge temperatuur.

Andere gebieden zijn dichter en koeler, rond 10.000 K.

Hoe heter het gas is, hoe hoger de druk, en hoe meer het uitzet (dit is hetzelfde mechanisme dat een heteluchtballon doet opstijgen).

Omgekeerd, als het gas sterk afkoelt (tot ongeveer 100 graden Kelvin, of -170 °C), worden zeer dichte en koude moleculaire wolken gevormd. Hier worden nieuwe sterren gevormd!

In de oerknal ontstonden praktisch alleen waterstof- en heliumatomen, waarover ik meer heb geschreven in het artikel De oerknal – een ooggetuigenverslag.

Maar wanneer sterren opbranden en sterven, geven ze een deel van hun gas terug aan het interstellaire medium – alleen is het nu vervuild met zwaardere elementen (die astronomen liefkozend allemaal ‘metalen’ noemen, hoewel dat voor chemici misschien tegenstrijdig klinkt).

Thans is ongeveer twee procent van de totale gasmassa omgezet in metalen, en ongeveer een derde van deze metalen is samengeklonterd als stof.

Planeten – een te verwaarlozen fractie van het melkwegstelsel

Als een ster wordt geboren, vormt zich daaromheen een schijf van gas en stof. Stof kan samenklonteren en rotsen vormen die op hun beurt grotere rotsen maken die uiteindelijk als planeten kunnen eindigen.

In de totale massabegroting spelen de planeten een verwaarloosbaar kleine rol, maar ze zijn waarschijnlijk noodzakelijk voor het bestaan van leven, dus zijn ze desondanks behoorlijk opwindend.

Sinds de ontdekking van de eerste planeten buiten ons zonnestelsel, slechts 25 jaar geleden, is het duidelijk geworden dat de meeste sterren planeten hebben. We kennen nu meer dan 4000 exoplaneten (d.w.z. planeten die om andere sterren dan onze zon draaien).

Superzware zwarte gaten en donkere materie

In het centrum van de meeste sterrenstelsels bevindt zich een ‘superzwaar zwart gat’. Deze zwarte gaten kunnen miljoenen of miljarden keren de massa van de zon wegen (in de sterrenkunde is alles zo massief dat het meten in grammen of kilo’s onpraktisch wordt, dus in plaats daarvan gebruiken we zonsmassa’s, wat ongeveer hetzelfde is als twee miljard biljoen triljoen kilo).

Wat de zwaartekracht betreft, is hun bijdrage tamelijk onbeduidend vergeleken met de rest van het melkwegstelsel, maar voor een tijdje kan de zwarte een ‘actieve galactische kern’ genereren, of een quasar, die een aanzienlijk deel van de materie uit het melkwegstelsel kan blazen.

Soms kunnen deze quasars het melkwegstelsel dusdanig van gas ontdoen, dat de vorming van nieuwe sterren erdoor tot stilstand komt.

Hoewel, wat we tot nu toe gehoord hebben, slechts ongeveer 1/6 van de totale massa uitmaakt. Het grootste deel van de massa van een sterrenstelsel bestaat in feite uit iets heel anders, namelijk donkere materie.

Donkere materie verschilt van ‘normale’ materie in die zin dat zij alleen gravitationele wisselwerking ondergaat. Dit betekent dat het noch door elektromagnetische krachten noch door kernkrachten wordt beïnvloed, zodat het geen licht kan uitzenden en niet met andere dingen kan botsen.

Juist omdat het geen licht uitzendt, noemen we het donkere materie. We kunnen het niet zien; we zien alleen het effect dat het heeft op dingen die we wel kunnen zien, omdat het gravitationeel interageert met de lichtgevende materie.

De normale materie kan afkoelen en een dicht sterrenstelsel worden, maar de donkere materie heeft het moeilijker om samen te klonteren, en bevindt zich daarom in een veel grotere ‘halo’ rond het zichtbare deel van het sterrenstelsel.

Dus wat wij als een sterrenstelsel zien, is in feite maar een fractie van wat een sterrenstelsel eigenlijk is. Deze figuur toont bij benadering de afmetingen van de onderdelen van de Melkweg.

Galaxy zoo

Galaxies komen voor in een verscheidenheid van vormen en verschijningsvormen, maar in het algemeen kunnen we ze in drie klassen indelen:

1. Spiraalstelsels
2. Elliptische stelsels
3. Regelmatige stelsels

Al deze klassen hebben echter subgroepen, en sommige stelsels zijn zelfs enigszins hors catégorie.

Het uiterlijk van een sterrenstelsel wordt zijn morfologie genoemd. Als we de evolutie van sterrenstelsels willen bestuderen, is het praktisch om ze in te delen op basis van hun type, maar vaak is het een beetje subjectief hoe je een sterrenstelsel morfologisch zou indelen, omdat er geen duidelijke grenzen zijn tussen de verschillende typen.

Als je de astronomen wilt helpen sterrenstelsels in te delen, kun je galaxyzoo.org bezoeken en ons helpen beslissen.

Vorig jaar nog leidden de resultaten van deze astro-crowdsourcing ertoe dat astronomen ons begrip van hoe de armen van spiraalstelsels zich gedragen, hebben herzien (zie deze video voor een overzicht).

Maar laten we de verschillende soorten sterrenstelsels eens nader bekijken.

De schitterende spiraalstelsels

Mijns inziens zijn spiraalstelsels het mooist. Gekenmerkt door een roodachtige, centrale ‘uitstulping’ en een aantal blauwachtige spiraalarmen die in een platte schijf liggen, draaien ze majestueus rond met perioden van een paar 100 miljoen jaar.

De spiraalarmen bevatten slechts ongeveer 2-3 maal zoveel sterren als tussen hen in, maar omdat in deze gebieden actieve stervorming plaatsvindt, zijn ze veel helderder. Omdat de massieve sterren – die blauw schijnen maar snel opbranden – hier nog steeds in de buurt zijn, zien de armen er blauw uit.

Rond tweederde van de spiraalstelsels heeft een balkachtige structuur die zich vanuit de uitstulping uitstrekt. De balk is waarschijnlijk een soort dichtheidsgolf, net als de spiraalarmen, die in staat is gas uit de omringende spiraalarmen ‘op te zuigen’, dat vervolgens kan worden gebruikt om nieuwe sterren te maken.

Dit gas kan ook een superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel voeden, waardoor het in een actieve galactische kern of een quasar verandert.

Giants of the Universe: Elliptische sterrenstelsels

Elliptische sterrenstelsels zijn, naar wij denken, het resultaat van de samensmelting van vele kleinere (proto-) sterrenstelsels. Tijdens deze botsingen neemt de stervormingssnelheid eerst dramatisch toe en zien we een of meer ‘starbursts’.

De hevige stervorming kan het meeste gas in één keer uitputten. Zowel de botsing zelf als de stellaire winden en supernovae blazen de rest van het gas weg, zodat de vorming van nieuwe sterren moeilijk wordt. Zo blijven alleen de oude sterren over, en aangezien oude sterren rood-oranje zijn, is dit de kleur van de meeste elliptische sterrenstelsels.

Dit zogenaamde doven laat dus een rood en ‘dood’ sterrenstelsel achter.

De grootste sterrenstelsels in het heelal zijn elliptisch, met massa’s tot tien keer die van de Melkweg. Deze galactische monsters bevinden zich vaak in het centrum van grote clusters van melkwegstelsels, d.w.z. verzamelingen van honderden of duizenden melkwegstelsels, die door de zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.

… en dan zijn er nog al die andere soorten sterrenstelsels

Sommige sterrenstelsels, met name de kleinere, zijn noch elliptisch noch disky, maar hebben een heel andere vorm. Deze stelsels worden onregelmatige stelsels genoemd.

De onregelmatige vorm is vaak het gevolg van botsingen, of bijna-botsingen, met andere stelsels.

Onregelmatige stelsels zijn meestal klein, omdat grotere stelsels beter bestand zijn tegen het schudden en roeren door andere stelsels.

Een ander type zijn lenticulaire stelsels, een soort combinatie tussen elliptische en spiraalstelsels: Zij vertonen enige spiraalstructuur, maar ook een duidelijke elliptische halo.

Hoe groter en massiever een sterrenstelsel is, hoe minder vaak het voorkomt. De meeste sterrenstelsels zijn dus dwergstelsels, die verder kunnen worden ingedeeld in dwergspiralen, dwergelliptische stelsels, dwergonregelmatige stelsels, en dwergsferoïdale stelsels.

Ringstelsels hebben net als spiraalstelsels een uitstulping, en een grotere stellaire ringstructuur. Zij zouden kunnen zijn ontstaan doordat een ander sterrenstelsel dwars door een spiraalstelsel vloog, maar zij zijn zeer zeldzaam en dus niet al te goed bestudeerd.

Onlangs hebben astronomen de tot nu toe verste van deze vreemde sterrenstelsels gevonden met bewijzen voor een kosmische ‘hit-and-run’ die 11 miljard jaar geleden plaatsvond.

Hoe deze raadselachtige klonters van sterren, gas, stof, en donkere materie überhaupt zijn ontstaan is een langer verhaal, waarover u meer kunt lezen in een vervolgartikel hier op ScienceNordic.

Lees de Deense versie op Videnskab.dk’s Forskerzonen. Met dank aan Guarn Nissen voor suggesties en bewerkingen tijdens mijn vertaling van de tekst van het Deens naar het Engels.

Peter Laursen’s profiel (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)

Peter Laursen’s homepage

‘The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

‘The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

‘Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

‘Tracing the Stellar Mass in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

‘Een reusachtig sterrenstelsel in het jonge heelal met een massieve ring’, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7