Astronomen reconstrueren ‘tienertijd’ van ons Melkwegstelsel

Globaal overzicht van ons Melkwegstelsel, van opzij gezien. (Stefan Payne-Wardenaar/MPIA)

Volgens onze huidige inzichten heeft ons sterrenstelsel verschillende fasen doorlopen. Tijdens zijn ‘babyfase’ smolten kleine, gasrijke oerstelsels samen tot een conglomeraat dat vervolgens uitgroeide tot het Melkwegstelsel. Omdat de kleine sterrenstelsels niet frontaal met elkaar in botsing kwamen, ontstond een draaiende structuur die nu bekendstaat als de ‘dikke schijf’: een 6000 lichtjaar dikke ’pannenkoek’ met een middellijn van 100.000 lichtjaar. De daaropvolgende ‘volwassen jaren’ waren veel rustiger en werden gekenmerkt door een gestage stervormingsactiviteit in de zogeheten dunne schijf, die jonger is en slechts ongeveer 2000 lichtjaar dik.

De nieuwe reconstructie van Maosheng Xiang en Hans-Walter Rix – beiden van het Max-Planck Institut für Astronomie in Duitsland – geeft een duidelijker beeld van de productieve tienertijd van het Melkwegstelsel, tussen ongeveer 13 en 8 miljard jaar geleden. Cruciaal voor deze reconstructie was dat de astronomen erin zijn geslaagd om de leeftijden van zo’n 250.000 afzonderlijke sterren nauwkeurig te bepalen. Daarbij hebben ze gebruik gemaakt van een specifiek soort sterren, de zogeheten ‘subreuzen’, waarvan je de leeftijden direct kunt bepalen door naar hun temperaturen en helderheden te kijken. Nadeel is wel dat subreuzen zeldzaam zijn: slechts een paar procent van de sterren in ons Melkwegstelsel verkeert in deze kortstondige levensfase.

Gelukkig hebben recente omvangrijke surveys van de Europese astrometrische satelliet Gaia en de Chinese LAMOST-telescoop nauwkeurige gegevens opgeleverd over vele miljoenen sterren. Dankzij deze gegevens konden Xiang en Rix een groot aantal subreuzen sorteren op leeftijd en chemische samenstelling. En uit deze informatie konden ze afleiden wat zich tijdens de verschillende ontwikkelingsfasen in ons Melkwegstelsel heeft afgespeeld.

Specifieke fusie

De astronomen hebben ontdekt dat zich ongeveer 11 miljard jaar geleden in ons Melkwegstelsel in korte tijd uitzonderlijk veel nieuwe sterren hebben gevormd. Deze piek was zeer waarschijnlijk het gevolg van één specifieke fusie: die met ‘Gaia Enceladus’, een satellietstelsel waarvan de door de samensmelting verstoorde restanten in 2018 zijn ontdekt. Bij de botsing ontstonden schokgolven, waardoor de gaswolken in beide sterrenstelsels zodanig in beroering werden gebracht dat ze samentrokken tot nieuwe sterren.

Het totale aantal sterren dat zich daarbij heeft gevormd suggereert dat de dikke schijf al vanaf het begin indrukwekkende hoeveelheden gas bevatte. Hierdoor liep de vorming van nieuwe sterren op rolletjes. Als nieuwe sterren worden gevormd, produceren met name zware sterren veel elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium – elementen die door astronomen doorgaans ‘metalen’ worden genoemd. Zwaardere elementen hebben de neiging zich te verzamelen in de centrale regionen van het Melkwegstelsel. Aldaar gevormde sterren zullen dus meer metalen bevatten dan sterren die in de buitenwijken zijn geboren.

De door Xiang en Rix onderzochte steekproef van sterren laat echter iets anders zien: vanaf de vroegst mogelijke periode die in de gegevens terug te vinden is - 13 miljard jaar geleden oftewel een kleine 800 miljoen jaar na de oerknal – tot aan de tempoverandering 8 miljard jaar geleden, lijken alle sterren die min of meer gelijktijdig zijn geboren hetzelfde metaalgehalte te hebben gehad.

De eenvoudigste verklaring is dat er gedurende al die tijd een grondige menging van gas in de hele dikke schijf heeft plaatsgevonden. Op die manier ‘erfden’ alle sterren die rond dezelfde tijd zijn geboren dezelfde chemische samenstelling, waarbij het aandeel zware elementen in de loop van de tijd toeneemt, doordat het gas geleidelijk wordt verrijkt met de kernfusieprodukten van voorgaande generaties sterren.

Het onderzoek laat zien dat er ongeveer 8 miljard jaar geleden een einde is gekomen aan de productieve tienerjaren van ons Melkwegstelsel. Vermoedelijk kwam dit doordat de dikke schijf een groot deel van zijn oorspronkelijke voorraad waterstofgas had verbruikt. Klaarblijkelijk was er toen nog steeds sprake van een gestage toevoer van gematigde hoeveelheden vers waterstofgas uit de intergalactische ruimte. En omdat de stervormingsactiviteit in de dikke schijf zo goed als voorbij was, kon dat gas zich geleidelijk in een eigen, veel dunnere, schijf nestelen.