Astronomen watertanden bij ‘doos vol bonbons’

Iets meer dan vier maanden nadat de eerste meetgegevens van de Gaia satelliet openbaar zijn gemaakt heeft RUG-hoogleraar sterrenkunde Amina Helmi een eerste analyse gepubliceerd. Zij ontdekte nieuwe informatie over de vorming van de Melkweg. Maar er is nog veel meer: ‘De data zijn uitzonderlijk rijk.’

Onze zon maakt deel uit van de Melkweg, een sterrenstelsel met zo’n 200 miljard sterren. En er zijn vele miljarden sterrenstelsels in het universum. Maar hoe hebben die zich ontwikkeld? ‘De belangrijkste hypothese is dat structuren in het universum gegroeid zijn van klein naar groot via samensmeltingen’, legt Helmi uit. Een belangrijke vraag is nog waar de sterren die we nu zien in deze stelsels zijn gevormd: uit gaswolken in het sterrenstelsel zelf, of in de oudere structuren die zijn samengesmolten? ‘Als we naar de Melkweg kijken zijn de meeste sterren geboren in het stelsel zelf, maar het is aannemelijk dat de oudste sterren elders zijn ontstaan.’

Helmi besteedde tot nu toe een groot deel van haar loopbaan aan onderzoek naar de oorsprong van de Melkweg. Dat doet zij via ‘archeologisch’ onderzoek naar sterren, waarbij zij sporen van samensmeltingen zoekt. Die zijn te herkennen aan de beweging van de sterren: bijna alle sterren in een stelsel draaien rond het centrum, maar niet in precies dezelfde banen. Als je goed kijkt vallen kleine groepen sterren op die een gezamenlijk traject volgen. Die groepen zijn mogelijk restanten van een ander stelsel dat ooit met de Melkweg samensmolt. De banen dragen nog steeds de ‘vingerafdruk’ van de koers van het oorspronkelijke stelsel.

Fossielen

Om dit soort ‘fossielen’ te vinden heeft Helmi gegevens nodig van zeer veel sterren. En niet allen de positie van de sterren aan de hemel maar ook hun beweging, zowel langs de hemel als naar ons toe of van ons weg (de radiale snelheid) en ten slotte de chemische samenstelling. Daarbij speelt de Gaia satelliet een belangrijke rol. Gaia is in december 2013 gelanceerd en is bezig de positie en beweging van een miljard sterren in de Melkweg nauwkeurig te bepalen. De gegevens van Gaia worden aangevuld met metingen van andere projecten, zoals de Hipparcos/Tycho satelliet (die zo’n 25 jaar geleden de positie van sterren bepaalde) en de RAVE metingen (van radiale snelheid en chemische samenstelling) die zijn gedaan in Australië.

‘Van sterren die in alle drie de projecten zijn gemeten hebben we een zeer compleet beeld. De eerste gegevens van Gaia die openbaar zijn gemaakt bevatten informatie over twee miljoen sterren die eerder zijn waargenomen door Hipparcos/Tycho en waarvan ongeveer 200.000 sterren ook zijn bestudeerd door RAVE.’ Hierin zocht Helmi naar zeer oude sterren die zijn te herkennen aan hun chemische samenstelling. ‘De sterren afkomstig van samensmeltingen zijn oud en bestaan uit chemische elementen die passen bij het jonge heelal. De meeste sterren uit samensmeltingen komen terecht in de halo van de Melkweg.’ Helmi vond ongeveer duizend van dit soort halo-sterren en zette hun beweging uit in een grafiek.

Spannend

Toen werd het spannend. ‘Het viel meteen op dat de meerderheid van deze oude sterren die uit de buitenste regionen van de Melkweg komen, in de tegengestelde richting draaien vergeleken bij de overige sterren.’ Dit had Helmi niet verwacht. ‘We dachten dat satelliet-sterrenstelsels die uiteindelijk samensmelten gemiddeld geen voorkeursrichting zouden hebben, of zouden meedraaien met de andere sterren uit de Melkweg.’ Ze weet niet zeker waarom zoveel sterren de ‘verkeerde’ kant op gaan. ‘Het lijkt erop dat ergens in het verleden de Melkweg is samengesmolten met een nogal groot object dat de tegenovergestelde draairichting had.’

Een volgende ontdekking deed Helmi in een grote groep oude sterren die zich meer in het centrum van de Melkweg bevonden. ‘We gebruikten een speciaal ontwikkeld algoritme om clusters van sterren te vinden die een vergelijkbare baan volgen, wat wijst op een gemeenschappelijke oorsprong buiten de Melkweg. En hiermee ontdekten wij dat er heel veel van die clusters aanwezig zijn.’ De resultaten suggereren dat de meeste sterren afkomstig zijn van samensmeltingen. ‘Sterren die geboren zijn in de Melkweg zullen niet zulke clusters vormen, dat doen alleen sterren uit samensmeltingen.’ Die ontdekking zal veel van haar collega’s verrassen. ‘Toen ik met dit soort onderzoek begon dachten de meeste sterrenkundigen nog dat samensmeltingen maar voor een klein deel van de sterren in ons sterrenstelsel vormden. De meningen zijn inmiddels wat aan het schuiven, maar sterrenkundigen zijn hier nog verdeeld over.’

Bonbons

De volgende stap is het analyseren van de chemische samenstelling van de verschillende groepen sterren. Dat zal iets zeggen over hun oorsprong. ‘Deze resultaten roepen zoveel nieuwe vragen op. Hoe wanneer en waar hebben die samensmeltingen plaatsgevonden? Hoe zagen de kleine stelsels er uit? Net zoals stelsels die we nu zien? Wat zegt dit allemaal over de geschiedenis van de Melkweg? We hebben echt meer gegevens nodig.’ En die komen eraan, van Gaia. Volgend jaar verschijnt een nieuwe dataset met informatie over duizend keer zo veel sterren. ‘En dan zal daar de radiale snelheid voor veel meer sterren bij zitten. Dus krijgen wij veel meer sterren om te bestuderen!’

De analyse van Helmi is gepubliceerd onder de titel ‘A box full of chocolates: The rich structure of the nearby stellar halo revealed by Gaia and RAVE.’ Waarom een verwijzing naar bonbons? ‘Je vindt zoveel in de gegevens, die zijn van zo’n hoge kwaliteit. Je moet echt kiezen wat je gaan analyseren. Want net als met een doos bonbons moet je één uitzoeken, want als je alles gaat opeten word je misselijk!

Referentie: Amina Helmi, Jovan Veljanoski, Maarten A. Breddels, Hao Tian en Laura V. Sales A box full of chocolates: The rich structure of the nearby stellar halo revealed by Gaia and RAVE Astronomy & Astrophysics 30 januari 2017