Soorten sterrenstelsels

Spiraal, elliptisch, onregelmatig en dwerg

Niet elk sterrenstelsel is een prachtige spiraal zoals de Melkweg. Sommige zijn bolrond en oogvormig, rustig en bijna uitgedoofd. Andere zijn chaotische rommelhopen vol jonge sterren. Weer andere zijn vele duizenden keer kleiner dan ons eigen stelsel, of juist zó groot dat ze honderden andere sterrenstelsels hebben opgeslokt. Als je weet hoe je moet kijken, vormt het universum een enorme, gevarieerde dierentuin. Laten we de soorten bij de naam leren.

Het stemvork-diagram van Hubble

In 1926 publiceerde Edwin Hubble zijn beroemde classificatiesysteem. Hij had duizenden sterrenstelsels bestudeerd en zag patronen. Hij tekende zijn schema als een stemvork: aan het linker handvat de ronde elliptische stelsels in verschillende niveaus van afvlakking, en aan de rechterkant twee vertakkingen — normale spiralen en balkspiralen. Sterrenstelsels die in geen van beide categorieën pasten, gaf hij het etiket "onregelmatig". Dit schema is bijna 100 jaar oud en in grote lijnen nog steeds het werkpaardje van elke sterrenkundeles.

Hubble noemde ellipsen E0 tot E7, van bijna perfect bolvormig tot sterk uitgerekt. Spiraalstelsels kregen letters Sa, Sb, Sc, van compacte stelsels met strak opgerolde armen tot losse stelsels met wijd uitwaaiende armen. Balkspiralen krijgen vooraan een B: SBa, SBb, SBc. Onze Melkweg zit in het gebied SBbc. En dan zijn er nog de onregelmatige stelsels met het label Irr.

Spiralen — schoonheid met ritme

Ongeveer 60 procent van alle heldere sterrenstelsels in het waarneembaar universum zijn spiralen. Ze hebben een platte schijf met draaiende spiraalarmen, een centrale bulge, en in de meeste gevallen ook een balk door het midden. De armen zijn geen vaste structuren — het zijn dichtheidsgolven die door de schijf trekken, waarin gas opeenhoopt en nieuwe sterren worden geboren. Daarom zien de armen er blauw en helder uit: de jonge massieve sterren leven kort en stralen intens.

De zon bevindt zich in de Orion-spur van de Melkweg. Andere beroemde spiraalstelsels: M81 in de Grote Beer, 12 miljoen lichtjaar weg, een klassieke strakke spiraal. M51, de Draaikolknevel, 23 miljoen lichtjaar weg, met duidelijk verstoorde armen door de nabijheid van een kleinere metgezel. En NGC 1300, een prachtvoorbeeld van een balkspiraal, waarvan Hubble-foto's het symmetrische design tot op het millimeterwerk tonen.

Elliptische stelsels — de stille reuzen

Elliptische sterrenstelsels zien er uit als wazig oplichtende voetballen of eitjes. Geen armen, geen spiraalstructuur, geen duidelijke schijf. Voornamelijk oudere rode sterren, weinig gas, weinig stervorming. Ze zijn rustiger — alsof ze klaar zijn. Ze variëren in grootte enorm: van dwerg-ellipsen met miljoenen sterren tot ontzagwekkende "cD-galaxies" met biljoenen sterren in het hart van sterrenclusters.

Het beroemdste voorbeeld is M87, in het hart van de Virgo-cluster, 54 miljoen lichtjaar weg. M87 heeft in haar centrum een supermassief zwart gat van 6,5 miljard zonmassa's — zo groot dat de Event Horizon Telescope er in 2019 de eerste directe foto van kon maken. Een donkere bol omringd door een oranje ring van gloeiend plasma. Dat was het gezicht van een zwart gat, voor het eerst door mensen gezien.

Grote ellipsen zijn het eindresultaat van vele fusies. Elke keer dat twee spiralen samensmelten, krijgt het resulterende stelsel meer schijfverstoring, minder georganiseerde rotatie, en verliest gas in de botsing. Na twee of drie zulke samensmeltingen is er geen spiraalstructuur meer — alleen een bolvormige verzameling sterren. Onze eigen toekomst: Milkomeda, het stelsel dat uit de Melkweg en Andromeda voortkomt over 4,5 miljard jaar, wordt een elliptisch stelsel.

Onregelmatige stelsels — wanordelijke schoonheid

Onregelmatige sterrenstelsels passen in geen enkel schema. Ze hebben geen duidelijke vorm, vaak rijk aan gas en jonge sterren, vaak het resultaat van zware zwaartekrachtinteracties of recente botsingen. Onze twee dichtstbijzijnde buren, de Grote en Kleine Magelhaense Wolken, zijn klassieke onregelmatige dwergstelsels.

De Grote Magelhaense Wolk hangt als een zwakke melkachtige vlek aan de zuidelijke hemel, 160.000 lichtjaar verweg, met ongeveer 30 miljard sterren. Ze herbergt de Tarantula-nebula, een van de heftigste stervormingsgebieden in onze directe omgeving. In 1987 explodeerde een ster in de LMC als supernova SN 1987A — de dichtstbijzijnde zichtbare supernova sinds 1604. Voor het eerst konden moderne instrumenten een supernova in detail bestuderen.

De Kleine Magelhaense Wolk ligt iets verder, 200.000 lichtjaar weg, en is kleiner maar bevat nog altijd een paar miljard sterren. Beide Wolken worden langzaam verscheurd door de zwaartekracht van de Melkweg. Over enkele miljarden jaren zullen ze in haar opgaan.

Dwergstelsels — de verborgen meerderheid

Wat je hierboven las, zijn de meer opvallende typen. Maar verreweg het grootste aantal sterrenstelsels in het universum is veel kleiner en veel donkerder: dwergstelsels. Ze bevatten duizenden tot miljarden sterren in plaats van honderden miljarden. Omdat ze zwak oplichten, zijn ze moeilijk te vinden, maar ze zijn talrijker dan alle andere typen samen.

Onze eigen Melkweg heeft minstens 50 bekende dwergstelsel-satellieten, en er worden nog steeds nieuwe ontdekt. Sommige hebben slechts een paar honderd sterren — ze liggen bijna op de grens van "sterrenstelsel" en "sterrenhoop". Ze worden vaak door grotere buren geabsorbeerd, en leveren op die manier bijdragen aan de groei van reuzenstelsels zoals Andromeda en de Melkweg.

Hubble Ultra Deep Field — 10.000 sterrenstelsels in één vakje

In 2003 en 2004 deed de Hubble Space Telescope iets dappers. De astronomen kozen een nietig klein stukje lege hemel, ongeveer zo groot als een zandkorrel op armlengte, en lieten de telescoop er 11,3 dagen lang, gespreid over meer dan 400 afzonderlijke belichtingen, op staren. Het resultaat: het Hubble Ultra Deep Field, een foto waarop naar schatting 10.000 sterrenstelsels zichtbaar zijn, elk een eigen kosmos.

En dat in een stukje hemel kleiner dan één dertien-miljoenste van de totale hemelkoepel. Als je zo'n deep field over de hele hemel zou uitrollen, kom je uit op ongeveer 100 miljard sterrenstelsels binnen onze zichtafstand. Recentere schattingen, onder andere op basis van latere James Webb Space Telescope-data, duwen dat getal nog verder omhoog, tot mogelijk 2 biljoen sterrenstelsels in het waarneembaar heelal.

Actieve sterrenstelsels — monsters met brandend hart

Sommige sterrenstelsels hebben een centrum dat extreem fel straalt, verre helderder dan alle sterren eromheen samen. Dat komt door een actief voedend supermassief zwart gat in het midden. Materie die erin valt versnelt tot bijna de lichtsnelheid en verhit tot miljoenen graden vóór ze verdwijnt achter de gebeurtenishorizon — en straalt daarbij enorme hoeveelheden energie uit in elke golflengte van het spectrum.

Zulke objecten heten actieve galactische kernen. De helderste varianten, quasars, zijn bij miljarden lichtjaar afstand nog altijd duidelijk zichtbaar — sommige stralen meer licht uit dan honderden Melkwegen tegelijk. Blazars zijn quasars waarvan de relativistische straalbundel toevallig recht op ons gericht is. Seyfert-sterrenstelsels zijn een zachter variant, vaak spiralen met een helder puntvormig centrum.

In het jonge universum waren actieve stelsels veel talrijker. Naarmate zwarte gaten het beschikbare gas opaten en "honger" kregen, werd de activiteit zeldzamer. Onze Melkweg heeft een relatief rustig zwart gat in het centrum — soms knippert Sagittarius A* even op als er iets invalt, maar verder is het stil. In het begin van het heelal was het veel heftiger.

Waarom er typen bestaan

Waarom is het ene stelsel spiraal en het andere elliptisch? Drie grote factoren. Ten eerste de omstandigheden bij geboorte — hoeveel gas er was, hoe snel het rond draaide, hoe het afkoelde. Ten tweede botsingen en samensmeltingen — spiralen die samensmelten maken meestal een elliptisch stelsel. Ten derde de omgeving — in dichte sterrenstelsel-clusters zijn stelsels vaker elliptisch, in ijle gebieden vaker spiraal, omdat botsingen frequenter zijn in drukke buurten.

Het meest voorkomende levensverhaal is dit: klein en onregelmatig bij geboorte, groeit door fusie van kleinere stelsels, vormt een schijf en spiraalarmen, botst uiteindelijk met een gelijke — en eindigt als oudere elliptisch.

Drie dingen om mee te nemen

1. Hubble's classificatie regeert nog steeds. Ellipsen (E), spiralen (S), balkspiralen (SB), en onregelmatig (Irr). Vier hoofdtypen die zeventig procent van alles dekken, plus subcategorieën voor het verfijnwerk.
2. Dwergstelsels zijn de stille meerderheid. De opvallende foto's tonen spiralen, maar de meeste sterrenstelsels in het heelal zijn kleine, zwakke dwergen. De Magelhaense Wolken zijn onze beroemdste voorbeelden.
3. Er zijn onvoorstelbaar veel. Het Hubble Ultra Deep Field bewees het: 2 biljoen sterrenstelsels binnen zichtbare afstand. Voor elk sterrenstelsel een gemiddelde van 100 miljard sterren. De cijfers tarten alle begrip.

In de laatste les van week 6 duiken we in een van de grootste raadsels van het heelal. Sterren in sterrenstelsels draaien te snel rond om alleen door zichtbare massa samengehouden te worden. Er moet iets méér zijn — iets dat zwaartekracht uitoefent maar geen licht geeft. We noemen het donkere materie. We weten dat het er is. We weten niet wat het is.

Tot dan. Blijf nieuwsgierig.