Astronomy
Learning Objectives
Aan het eind van dit deel zul je in staat zijn om:
- De structuur van het Melkwegstelsel beschrijven en hoe astronomen die hebben ontdekt
- Theoretische modellen voor de vorming van spiraalarmen in schijfstelsels vergelijken
Astronomen hebben enorme vooruitgang kunnen boeken bij het in kaart brengen van de spiraalstructuur van de Melkweg na de ontdekking van de 21-cm lijn die afkomstig is van koele waterstof (zie Between the Stars: Gas and Dust in Space). Vergeet niet dat het verduisterende effect van interstellair stof voorkomt dat we sterren op grote afstanden in de schijf kunnen zien op zichtbare golflengten. Radiogolven met een golflengte van 21 cm gaan echter dwars door het stof heen, waardoor astronomen waterstofatomen in het hele Melkwegstelsel kunnen waarnemen. Recenter onderzoek van de infrarode straling van sterren in de schijf heeft een vergelijkbaar stofvrij beeld opgeleverd van de stellaire verspreiding van ons Melkwegstelsel. Ondanks al deze vooruitgang in de afgelopen vijftig jaar, beginnen we nog maar net de precieze structuur van ons Melkwegstelsel vast te stellen.
De armen van de Melkweg
Onze radiowaarnemingen van het gasvormige deel van de schijf geven aan dat het Melkwegstelsel twee grote spiraalarmen heeft die uit de balk komen en verschillende zwakkere armen en kortere uitlopers. Je kunt een recent samengestelde kaart van de armstructuur van ons Melkwegstelsel zien – afgeleid van studies in het infrarood – in figuur 1.
Figuur 1. De balk en de armen van de Melkweg: Hier zien we het Melkwegstelsel zoals het er van bovenaf uitziet. Dit beeld, samengesteld uit gegevens van NASA’s WISE-missie, laat zien dat het Melkwegstelsel een bescheiden balk in zijn centrale regio’s heeft. Twee spiraalarmen, Scutum-Centaurus en Perseus, komen uit de uiteinden van de balk en wikkelen zich rond de uitstulping. De Sagittarius- en Perseus-armen hebben minder sterren dan de andere twee armen. (credit: bewerking van werk van NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech))
De zon staat dicht bij de binnenrand van een korte arm die de Orion Spur wordt genoemd. Deze arm is ongeveer 10.000 lichtjaar lang en bevat opvallende kenmerken als de Cygnus Rift (de grote donkere nevel in de zomer van de Melkweg) en de heldere Orionnevel. Figuur 2 toont een paar andere objecten die dit kleine deel van het Melkwegstelsel met ons delen en die gemakkelijk te zien zijn. Vergeet niet dat hoe verder we van onze eigen arm weg proberen te kijken, hoe meer het stof in het Melkwegstelsel zich ophoopt en het moeilijk maakt om het met zichtbaar licht te zien.
Figuur 2. Orionuitloper: De zon bevindt zich in de Orion Spur, een kleine spiraalarm die tussen twee andere armen ligt. In dit diagram wijzen de witte lijnen naar enkele andere opmerkelijke objecten die dit kenmerk van het Melkwegstelsel met de zon delen. (credit: bewerking van werk van NASA/JPL-Caltech)
Vorming van spiraalstructuur
Op de afstand van de zon tot het centrum draait het Melkwegstelsel niet rond als een massief wiel of een CD in je speler. In plaats daarvan lijkt de manier waarop individuele objecten rond het centrum van het Melkwegstelsel draaien meer op het zonnestelsel. Sterren, en ook de wolken van gas en stof, gehoorzamen aan de derde wet van Kepler. Objecten die verder van het centrum af staan doen er langer over om een baan rond het Melkwegstelsel te voltooien dan objecten die dichter bij het centrum staan. Met andere woorden, sterren (en interstellaire materie) in grotere banen in het Melkwegstelsel lopen achter op die in kleinere banen. Dit effect wordt differentiële galactische rotatie genoemd.
Differentiële rotatie lijkt te verklaren waarom zo veel van de materie in de schijf van de Melkweg geconcentreerd is in langgerekte lijnen die op spiraalarmen lijken. Wat de oorspronkelijke verdeling van de materie ook is, de differentiële rotatie van de Melkweg kan deze uitrekken tot spiraalvormige vormen. Figuur 3 toont de ontwikkeling van spiraalarmen uit twee onregelmatige klodders interstellaire materie. Merk op dat naarmate de delen van de klodders die het dichtst bij het galactisch centrum liggen sneller bewegen, de delen die verder weg liggen achterblijven.
Figuur 3. Vereenvoudigd model voor de vorming van spiraalarmen: Deze schets toont hoe spiraalarmen zouden kunnen ontstaan uit onregelmatige wolken van interstellair materiaal dat door de verschillende rotatiesnelheden in het Melkwegstelsel wordt uitgerekt. De gebieden die het verst van het galactisch centrum verwijderd zijn, doen er langer over om hun banen te voltooien en lopen dus achter op de binnenste gebieden. Als dit het enige mechanisme zou zijn voor het ontstaan van spiraalarmen, dan zouden de spiraalarmen na verloop van tijd volledig oprollen en verdwijnen. Omdat veel sterrenstelsels spiraalarmen hebben, moeten ze een lange levensduur hebben, en moeten er andere processen aan het werk zijn om ze in stand te houden.
Maar dit beeld van spiraalarmen stelt astronomen voor een onmiddellijk probleem. Als dat het enige is dat er aan de hand is, dan zouden de armen van de Melkweg door differentiële rotatie in de 13 miljard jaar dat de Melkweg bestaat, steeds strakker gewikkeld moeten zijn, totdat alle schijn van spiraalstructuur verdwenen is. Maar had de Melkweg eigenlijk wel spiraalarmen toen hij 13 miljard jaar geleden werd gevormd? En blijven spiraalarmen, als ze eenmaal gevormd zijn, zo lang bestaan?
Met de komst van de Hubble ruimtetelescoop is het mogelijk geworden om de structuur van zeer verre sterrenstelsels te observeren en te zien hoe ze eruit zagen kort nadat ze zich meer dan 13 miljard jaar geleden begonnen te vormen. Uit de waarnemingen blijkt dat de sterrenstelsels in hun kinderschoenen heldere, klonterige stervormingsgebieden hadden, maar geen regelmatige spiraalstructuur.
In de loop van de volgende paar miljard jaar begonnen de sterrenstelsels zich te “settelen”. De sterrenstelsels die spiraalstelsels zouden worden, verloren hun massieve klonters en ontwikkelden een centrale uitstulping. De turbulentie in deze sterrenstelsels nam af, rotatie begon de bewegingen van de sterren en het gas te domineren, en sterren begonnen zich te vormen in een veel stillere schijf. Kleinere stervormingsklonters begonnen vage, niet erg duidelijke spiraalarmen te vormen. Heldere, goed gedefinieerde spiraalarmen verschenen pas toen de sterrenstelsels ongeveer 3,6 miljard jaar oud waren. Aanvankelijk waren er twee goed gedefinieerde armen. Meerarmige structuren in sterrenstelsels zoals we die in de Melkweg zien, verschenen pas toen het heelal ongeveer 8 miljard jaar oud was.
We zullen de geschiedenis van sterrenstelsels meer in detail bespreken in De evolutie en verspreiding van sterrenstelsels. Maar zelfs uit onze korte bespreking kun je opmaken dat de spiraalstructuren die we nu in volgroeide sterrenstelsels waarnemen, later zijn ontstaan in het volledige verhaal van hoe dingen zich in het heelal ontwikkelen.
Wetenschappers hebben supercomputerberekeningen gebruikt om de vorming en evolutie van de armen te modelleren. Deze berekeningen volgen de bewegingen van wel 100 miljoen “sterdeeltjes” om te zien of de zwaartekracht ervoor kan zorgen dat zij een spiraalstructuur vormen. Uit deze berekeningen blijkt dat reusachtige moleculaire wolken (die we hebben besproken in Between the Stars: Gas and Dust in Space) voldoende zwaartekrachtsinvloed op hun omgeving hebben om de vorming van structuren die op spiraalarmen lijken op gang te brengen. Deze armen worden dan zelfbedruipend en kunnen minstens enkele miljarden jaren overleven. De helderheid van de armen kan in de loop van de tijd veranderen naarmate de stervorming op gang komt en weer verdwijnt, maar het zijn geen tijdelijke kenmerken. De concentratie van materie in de armen oefent voldoende zwaartekracht uit om de armen over lange perioden bij elkaar te houden.
Key Concepts and Summary
De gasvormige verdeling in de schijf van het Melkwegstelsel heeft twee hoofdspiraalarmen die uit de uiteinden van de centrale balk komen, samen met verscheidene zwakkere armen en korte uitlopers; de Zon bevindt zich in een van die uitlopers. Metingen tonen aan dat het Melkwegstelsel niet als een massief lichaam roteert, maar dat de sterren en het gas differentiële rotatie volgen, zodat het materiaal dichter bij het galactisch centrum zijn baan sneller voltooit. Waarnemingen tonen aan dat sterrenstelsels zoals de Melkweg er enkele miljarden jaren na hun ontstaan over doen om een spiraalstructuur te ontwikkelen.
Glossary
differentiële galactische rotatie:
het idee dat verschillende delen van het Melkwegstelsel met verschillende snelheden draaien, omdat de delen van het Melkwegstelsel de derde wet van Kepler volgen: verder weg gelegen objecten doen er langer over om één volledige baan rond het centrum van het Melkwegstelsel te voltooien
spiraalarm:
een spiraalvormig gebied, gekenmerkt door relatief dicht interstellair materiaal en jonge sterren, dat wordt waargenomen in de schijven van spiraalvormige sterrenstelsels