Smoking gun

Amina Helmi vond het bewijs voor de theorie dat delen van de Melkweg niet alleen zijn gegroeid door de geboorte van eigen sterren, maar ook door samensmeltingen met andere sterrenstelsels. Voor deze ontdekking was het wachten op de data van ruimtemissie Gaia.

In het kantoor van hoogleraar Amina Helmi ligt de plastic folie waarin Nature werd verstuurd nog als stille getuige op de vergadertafel. Eind oktober verscheen in dit gerenommeerde tijdschrift haar artikel over een belangrijke ontdekking van haar onderzoeksgroep: de Melkweg heeft vroeg in zijn bestaan een behoorlijk groot sterrenstelsel opgeslokt. 'Groots', noemt Amina Helmi deze ontdekking zonder omhaal. 'Een van de grote vragen in de sterrenkunde is hoe sterrenstelsels evolueren. Tijdens de big bang waren er geen sterrenstelsels, dus hoe ontstaat een sterrenstelsel als de Melkweg dan? Daar hebben we nu een beter beeld van.'

Vingerafdrukken

Het ziet er eenvoudig uit in de animaties van de ontdekte samensmelting: een grote wolk sterren, de Melkweg, trekt een kleinere wolk sterren aan met zijn zwaartekracht en beide vermengen zich tot één wolk. Veel ingewikkelder hoeven we het ons volgens Helmi ook niet voor te stellen. Maar waar de klus in de animaties in dertig seconden is geklaard, duurde het in werkelijkheid twee tot drie miljard jaar. 'Misschien wel sneller. We gaan dat proces nu modelleren.' Als Helmi enthousiast vertelt hoe je kunt zien welke sterren wel of niet hun oorsprong in de Melkweg hebben, lijkt het of je naar de plot van Crime Scene Investigation luistert. 'In hun bewegingen en chemische samenstellingen verraden sterren waar ze vandaan komen. Het zijn een soort vingerafdrukken. De meeste sterren in de Melkweg draaien met de klok mee, maar de sterren uit dat andere stelsel draaien juist andersom. Dat is al verdacht. Maar ook de zogenoemde ‘relatieve abundantie’ in die sterren, dat wil zeggen de hoeveelheid van de chemische elementen, zoals titanium, magnesium of calcium, in verhouding tot de rest, blijkt flink te verschillen van de andere sterren in de Melkweg. Dat is echt de smoking gun, waardoor we kunnen zeggen dat die sterren uit een ander stelsel komen.' Case closed.

Fremdkörper

Dát er een samensmelting, ofwel een 'merger', is geweest, was overigens geen verrassing. Al in haar promotieonderzoek uit 2000 presenteerde Helmi een reeks sterren uit een ander stelsel die door de Melkweg is opgeslokt. 'In mijn proefschrift heb ik de vraag beantwoord waar je tekenen van samensmeltingen moet zoeken. Het was toen nog namelijk niet duidelijk of die er zijn geweest. Toen ik het inzicht had hoe het proces van mergers werkt, ben ik gaan zoeken in de catalogus van de voorganger van Gaia, de Hipparcos-missie. Toen heb ik twee stromen sterren gevonden uit een klein stelsel dat van buiten de Melkweg afkomstig was.' In een tijd dat bijna iedereen die het kon weten van mening was dat alle sterren in de Melkweg daar ook zijn geboren, ontdekte Helmi de eerste fremdkörper in de Melkweg. 'Omdat ik ook de modellen heb ontwikkeld die laten zien waarom we tot die tijd niets hadden ontdekt, was het meteen duidelijk dat samensmeltingen echt een rol hebben gespeeld. De merger die ik ontdekte, bestond niet uit heel veel sterren, maar dat was het maximale dat ik uit de beschikbare data kon halen. Sindsdien is er veel energie gestoken in het vinden van mergers, maar voor mij was het duidelijk dat we daarvoor op Gaia moesten wachten.'

Gaia

'Gaia' is de satelliet van het European Space Agency die in 2013 werd gelanceerd. Het bijzondere aan Gaia is dat het in feite twee telescopen zijn, die onder een hoek van elkaar staan en doorlopend metingen van sterren uitvoeren. 'Gaia ziet de hemel van twee kanten en weet wat de hoek tussen de verschillende vensters is. De afstand tot de sterren kun je meten. Het is een soort driehoeksmeting op basis waarvan je de positie en snelheid van de sterren heel nauwkeurig kunt bepalen.' Na de gegevens van 1,1 miljard sterren twee jaar geleden, werden dit voorjaar de data van nog eens 1,7 miljard sterren die Gaia heeft verzameld openbaar. Samen met haar onderzoeksgroep hielp Helmi bij het valideren van de data, voordat de data voor onderzoekers in de hele wereld werden vrijgegeven. Ze controleerden onder meer de kwaliteit en de foutmetingen van de data.

Blijven leren

De overgang van promovenda die aan haar eigen onderzoek werkt naar hoogleraar die veel breder moet kijken dan haar eigen onderzoek ervaart Helmi als verrijking van haar werk. 'Het geeft mij de kans om me verder te ontwikkelen. Dankzij mijn onderzoeksgroep heb ik me sinds mijn proefschrift met heel veel onderzoeksgebieden beziggehouden. Ik vind het ook heel mooi om de aio's te zien groeien. Op een bepaald moment gaan ze mij voorbij, want als het goed is, komen ze met eigen ideeën en kiezen ze een eigen pad. Daardoor leer ik zelf ook nieuwe dingen. Dat leren blijft doorgaan en ik denk dat dat het belangrijkste is. Dat het niet steeds hetzelfde is wat je doet.'

Kleine breinen

Wat de consequenties van Helmi's ontdekking voor het leven op aarde zijn, is moeilijk te zeggen. 'Het enige dat je kunt zeggen is dat de aarde en wij zijn gemaakt van sterrenstof. Het zou best kunnen zijn dat een deel van het ijzer in onze lichamen van een ster komt die buiten de Melkweg is geboren. Maar als dat zo is maakt het voor ons niet uit, want ijzer is ijzer, ongeacht de herkomst. Wellicht dat de relatieve abundantie van de aarde erdoor is beïnvloed, maar ik weet niet of de samenstelling van chemische elementen op aarde de enige mogelijke samenstelling voor het ontstaan van leven is.' Hoe fascinerend ook, het is niet primair de fascinatie die Helmi bij de sterrenkunde bracht. 'De eerste keer dat ik met sterrenkunde in aanraking kwam, was toen ik op de lagere school zat en we les kregen over de maan. Toen kon ik begrijpen waarom we steeds dezelfde kant van de maan zien. Ik vond het heel bijzonder dat we dat hier op aarde kunnen weten door te redeneren, zonder naar de maan te gaan. Voor mij ligt de fascinatie in het contrast tussen de omvang van het heelal en hoe klein wij zijn. Dat contrast vind ik ontzettend mooi, want het relativeert. Daardoor vind ik het heel bijzonder dat we in staat zijn om het heelal met onze kleine breinen te snappen.'

Geduld

Dankzij de stroom data van Gaia zal er de komende jaren genoeg te ontdekken en te snappen zijn. Er kan wat dat betreft nog van alles gebeuren, verzekert Helmi. 'Het verschil tussen Gaia en andere missies is dat er een enorm breed scala van objecten is dat je kunt bestuderen, van planeten en sterren tot stelsels buiten de Melkweg zelf. Gaia neemt alles waar met een bepaalde helderheid, dus we zullen ook objecten vinden waarvan we het bestaan niet wisten. Ook de vraag wat de verdeling van donkere materie is en of het is gemaakt van een ander soort deeltjes dan we denken, gaan we met behulp van Gaia beantwoorden. Maar dat vergt tijd.' Amina Helmi weet wanneer ze geduld moet hebben.

Tekst Bert Platzer, foto's Reyer Boxem. Dit artikel is verschenen in alumnimagazine Broerstraat 5, april 2019 .