Laat in de avond van 5 oktober 1923 zat Edwin Hubble achter het oculair van de Hooker-telescoop van het Mount Wilson Observatorium, bovenop de bergen met uitzicht op het bassin van Los Angeles. Hij observeerde een object aan de noordelijke hemel. Met het blote oog was het zichtbaar als een vage vlek. Maar door een telescoop werd het scherp tot een schitterende ellips, de Andromedanevel. Om een ​​debat over de omvang van de Melkweg – waarvan men toen dacht dat het het hele universum besloeg – te beslechten, moest Hubble de afstand van Andromeda tot ons bepalen.

In het gezichtsveld van de telescoop was Andromeda een reus. Hubble legde geduldig verschillende belichtingen vast die vele glazen fotografische platen bedekten, en in de vroege uren van 6 oktober maakte hij een belichting van 45 minuten op een kleine glasplaat en krabbelde "N" waar hij drie nieuwe sterren of nova's zag. Maar toen hij zijn beeld vergeleek met foto's gemaakt door andere astronomen, realiseerde hij zich dat een van zijn nieuwe nova's eigenlijk een veranderlijke ster van Cepheid was - een type ster dat kan worden gebruikt om astronomische afstanden te meten.

Hij krabde één ‘N’ weg en schreef ‘VAR!’

Hubble gebruikte deze pulserende ster om te berekenen dat Andromeda 1 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd was, een afstand die veel groter is dan de diameter van de Melkweg (hij zat er iets naast; Andromeda bevindt zich op ongeveer 2.5 miljoen lichtjaar afstand). En hij realiseerde zich dat Andromeda niet zomaar een nevel was, maar een heel ‘eilanduniversum’ – een sterrenstelsel dat verschilt van het onze.

Nu de kosmos is opgesplitst in een thuisstelsel en een groter universum, zou de studie van ons eindige thuis – en hoe dat binnen dat universum bestaat – serieus kunnen beginnen. Nu, een eeuw later, doen astronomen nog steeds onverwachte ontdekkingen over het enige kosmische eiland dat we ooit zullen bewonen. Ze kunnen mogelijk enkele kenmerken van de Melkweg verklaren door zich opnieuw voor te stellen hoe deze zich in het vroege heelal heeft gevormd en groeide, door de ongelijkmatige vorm ervan nauwkeurig te onderzoeken en door het vermogen ervan om planeten te vormen te bestuderen. De nieuwste resultaten, verzameld in de afgelopen vier jaar, schetsen nu een beeld van ons huis als een unieke plek, op een uniek moment.

Het lijkt erop dat we het geluk hebben gehad om dichtbij een bijzonder stille ster te leven aan de rustige rand van een vreemd gekanteld, losjes spiraalvormig sterrenstelsel van middelbare leeftijd dat het grootste deel van zijn bestaan ​​grotendeels met rust is gelaten.

Ons eilanduniversum

Vanaf het aardoppervlak kun je – als je ergens heel donker bent – ​​alleen de heldere streep van de galactische schijf van de Melkweg zien, van opzij. Maar het sterrenstelsel waarin we leven is zoveel ingewikkelder.

In het centrum draait een superzwaar zwart gat, omringd door de 'uitstulping', een kluwen van sterren die enkele van de oudste stellaire bewoners van het sterrenstelsel bevatten. Vervolgens komt de “dunne schijf” – de structuur die we kunnen zien – waar de meeste sterren van de Melkweg, inclusief de zon, zijn verdeeld in gigantische spiraalvormige armen. De dunne schijf is omhuld door een bredere ‘dikke schijf’, die oudere sterren bevat die meer verspreid zijn. Ten slotte omringt een grotendeels bolvormige halo deze structuren; het bestaat voornamelijk uit donkere materie, maar bevat ook sterren en diffuus heet gas.

Om kaarten van deze structuren te maken, wenden astronomen zich tot individuele sterren. De samenstelling van elke ster registreert de geboorteplaats, leeftijd en geboorte-ingrediënten, dus het bestuderen van sterrenlicht maakt een vorm van galactische cartografie mogelijk – evenals genealogie. Door sterren in tijd en plaats te situeren kunnen astronomen de geschiedenis nagaan en afleiden hoe de Melkweg, stukje bij beetje, over miljarden jaren heen is gebouwd.

De eerste grote poging om de vorming van de oorspronkelijke Melkweg te bestuderen begon in de jaren zestig, toen Olin Eggen, Donald Lynden-Bell en Alan Sandage, voormalig student van Edwin Hubble, betoogden dat het sterrenstelsel instortte door een draaiende gaswolk. Lange tijd daarna dachten astronomen dat de eerste structuur die in onze Melkweg opdook de halo was, gevolgd door een heldere, dichte schijf van sterren. Naarmate er krachtigere telescopen online kwamen, bouwden astronomen steeds nauwkeurigere kaarten en begonnen ze hun ideeën over hoe de melkweg tot stand kwam te verfijnen.

Alles veranderde in 2016, toen de eerste gegevens van de Gaia-satelliet van de European Space Agency terugkwamen op de aarde. Gaia meet nauwkeurig de banen van miljoenen sterren door het hele sterrenstelsel, waardoor astronomen kunnen leren waar die sterren zich bevinden, hoe ze door de ruimte bewegen en hoe snel ze gaan. Met Gaia konden astronomen een scherper beeld van de Melkweg schetsen – een beeld dat veel verrassingen onthulde.

De uitstulping is niet bolvormig, maar pindavormig, en maakt deel uit van een grotere balk die het midden van onze Melkweg omspant. Het sterrenstelsel zelf is kromgetrokken als de rand van een versleten cowboyhoed. De dikke schijf is eveneens wijd uitlopend en wordt steeds dikker naar de randen toe, en kan zich vóór de halo hebben gevormd. Astronomen weten niet eens zeker hoeveel spiraalarmen het sterrenstelsel werkelijk heeft.

De kaart van ons eilanduniversum is niet zo netjes als het ooit leek. Ook niet zo kalm.

“Als je naar een traditionele foto van de Melkweg kijkt, heb je een mooie bolvormige halo en een mooie, regelmatig ogende schijf, en alles is een beetje stabiel en stil. Maar wat we nu weten is dat dit sterrenstelsel zich in een staat van onevenwicht bevindt”, zegt hij Charlie Conroy, een astronoom aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Het beeld dat het eenvoudig en goed geordend is, is de afgelopen jaren echt weggegooid."

Een nieuwe kaart van de Melkweg

Drie jaar nadat Edwin Hubble zich realiseerde dat Andromeda een sterrenstelsel op zichzelf was, waren hij en andere astronomen druk bezig met het in beeld brengen en classificeren van honderden eilanduniversums. Die sterrenstelsels leken in een aantal gangbare vormen en afmetingen te bestaan, dus ontwikkelde Hubble een basisclassificatieschema dat bekend staat als het stemvorkdiagram: het verdeelt sterrenstelsels in twee categorieën: elliptische stelsels en spiralen.

Astronomen gebruiken dit schema nog steeds om sterrenstelsels, inclusief de onze, te categoriseren. Voorlopig is de Melkweg een spiraal, met armen die de belangrijkste kraamkamers zijn voor sterren (en dus planeten). Een halve eeuw lang dachten astronomen dat er vier hoofdarmen waren: de Boogschutter-, Orion-, Perseus- en Cygnus-arm (we leven in een kleinere uitloper, die fantasieloos de Lokale Arm wordt genoemd). Maar nieuwe metingen van superreuzensterren en andere objecten schetsen een ander beeld, en astronomen zijn het niet langer eens over het aantal armen of hun afmetingen, of zelfs over de vraag of ons sterrenstelsel een vreemde eend in de bijt is onder de eilanden.

“Opvallend is dat bijna geen enkel extern sterrenstelsel vier spiralen vertoont die zich vanuit hun centrum naar hun buitenste gebieden uitstrekken,” Xu Ja, zei een astronoom van het Chinese Purple Mountain Observatory in een e-mail.

Om de spiraalarmen van de Melkweg te traceren, gebruikten Ye en collega's Gaia en radiotelescopen op de grond om naar jonge sterren te zoeken. Ze ontdekten dat de Melkweg, net als andere spiraalstelsels, slechts twee hoofdarmen heeft: Perseus en Norma. Verschillende lange, onregelmatige armen wikkelen zich ook rond de kern, waaronder de Centaurus-, Boogschutter-, Carina-, Buiten- en Lokale armen. Het lijkt erop dat de Melkweg, althans qua vorm, meer op verre kosmische eilanden lijkt dan astronomen dachten.

“Het bestuderen van de spiraalvormige Melkweg kan uitwijzen of deze uniek is onder de miljarden sterrenstelsels in het waarneembare heelal”, schreef Ye.

Kosmische Kusten

Hubble's studie van Andromeda en zijn veranderlijke ster vloeide voort uit zijn felle rivaliteit met een andere beroemde astronoom op Mount Wilson, Harlow Shapley. De Harvard-astronoom Henrietta Swan Leavitt was een pionier in het gebruik van veranderlijke Cepheid-sterren om afstanden te meten, en met behulp van haar methode had Shapley berekend dat de Melkweg 300,000 lichtjaar in doorsnede was – een verbazingwekkende bewering in 1919, toen de meeste astronomen geloofden dat de zon in het centrum van het sterrenstelsel, en dat het hele sterrenstelsel 3,000 lichtjaar besloeg. Shapley benadrukte dus dat andere ‘spiraalnevels’ gaswolken moesten zijn en geen afzonderlijke sterrenstelsels, omdat hun afmetingen zouden betekenen dat ze onvoorstelbaar ver weg waren.

Hubble schreef op zijn beurt zijn variabele stermetingen op en overtuigde iedereen ervan dat Andromeda inderdaad een apart sterrenstelsel was. "Hier is de brief die mijn universum vernietigde", zei Shapley naar verluidt nadat hij de gegevens van Hubble had gezien.

In termen van astronomische afstanden was Shapley misschien niet zo ver weg. In de tussenliggende eeuw hebben astronomen berekend dat de uitstulping van de Melkweg ongeveer 12,000 lichtjaar in doorsnede is, dat de schijf 120,000 lichtjaar omspant, en dat de halo van donkere materie en oude sterrenhopen zich over honderdduizenden lichtjaren uitstrekt. elke richting.

Een recente observatie ontdekte dat sommige halo-sterren verspreid zijn tot op een afstand van wel 1 miljoen lichtjaar – halverwege Andromeda – wat suggereert dat de halo, en dus de melkweg, niet echt een eilanduniversum op zichzelf is.

Astronomen onder leiding van Jesse Han, een afgestudeerde student aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, heeft onlangs vastgesteld dat de stellaire halo niet bolvormig is, zoals lang werd aangenomen, maar de vorm heeft van een voetbal. Aan het werk gepubliceerd op 14 septemberHan en zijn team toonden ook aan dat de halo van donkere materie ongeveer 25 graden gekanteld zou kunnen zijn, waardoor het hele sterrenstelsel er krom uit zou zien.

En hoewel dat misschien raar lijkt, kan de kanteling zelf een bewijs zijn van het gewelddadige verleden van de Melkweg.

Een verstoring in de Melkweg

Eeuwen voordat Hubble bij het oculair zat, eeuwen voordat de zon werd geboren, lang voordat de Melkweg bestond, rukte de oerknal alle materie uiteen en verspreidde deze zonder onderscheid door de pasgeboren kosmos. De eerste sterrenstelsels ontstonden uiteindelijk uit stukjes willekeurig afval, waarmee een reeks van 13 miljard jaar begon die naar ons leidde. Astronomen debatteren over de complexiteit van hoe deze gebeurtenissen zich hebben ontwikkeld, maar ze weten dat het sterrenstelsel waarin we nu wonen is gegroeid door een complex proces dat fusies en overnames omvatte.

In het hele universum botsen sterrenstelsels en komen samen in onvoorstelbaar gigantische rampen. De telescoop genoemd naar Edwin Hubble legt deze kosmische opstapelingen vast altijd. En ook al is het vandaag de dag relatief rustig, de Melkweg vormt hierop geen uitzondering: door de archeologische gegevens te doorzoeken die worden bijgehouden door sterren, gasstromen, zogenaamde bolvormige sterrenhopen van duizenden tot miljoenen sterren, en zelfs de schaduwen van verslonden dwergstelsels, wetenschappers leren meer over hoe de Melkweg is geëvolueerd.

De eerste tekenen van geweld kwamen toen astronomen die door de legendarische 200-inch telescoop van het Palomar Observatorium (die Hubble als eerste gebruikte) in 1992 bewijs vonden dat de Melkweg enkele van de bolvormige sterrenhopen in zijn halo aan het verscheuren was. De Sloan Digital Sky Survey bevestigde die waarneming, en radiotelescopen ontdekten later dat het sterrenstelsel ook aan het inademen was stromen van nabijgelegen gas.

Halverwege 2018 dachten astronomen dat de Melkweg gedurende zijn hele leven was samengesmolten met een paar kleine sterrenstelsels, maar dat de meeste hiervan kleine gebeurtenissen waren. Men dacht dat bij de grootste recente fusie, 10 miljard jaar geleden, het Sagittarius Dwerg Elliptische Sterrenstelsel betrokken was, dat gasstromen en groepen sterren aan de stellaire halo van de Melkweg schonk. Maar astronomen begrepen deze objecten pas volledig toen de Gaia-satelliet in 2018 zijn tweede dataset vrijgaf.

Terwijl astronomen de gedetailleerde bewegingen en posities van ongeveer een miljard sterren bestudeerden, ontstonden er tekenen van een grote verstoring in de Melkweg: ze zagen galactische wrakstukken in de halo. Sommige sterren draaien daar onder extreme hoeken rond en hebben een andere samenstelling dan andere, wat erop wijst dat ze ergens anders zijn ontstaan.

Astronomen beschouwden deze vreemde sterren als bewijs van een gigantische botsing tussen de Melkweg en een ander sterrenstelsel. De fusie, die waarschijnlijk tussen 8 miljard en 11 miljard jaar geleden plaatsvond, zou de jonge Melkweg catastrofaal hebben ontwricht, het andere sterrenstelsel aan flarden hebben gescheurd en een vuurstorm van nieuwe stervorming hebben veroorzaakt.

De overblijfselen van het botsende sterrenstelsel heten nu Gaia-Sausage-Enceladus, een gevolg van het feit dat twee teams onafhankelijk van elkaar de overblijfselen van de fusie hebben ontdekt. Eén team noemde het naar de Griekse godheid Gaia, de oorspronkelijke moeder van de aarde en al het leven, en haar zoon Enceladus. De ander merkte dat de restanten op een worst leken. (Sommige astronomen geschil dat het binnenkomende sterrenstelsel het enige was dat erbij betrokken was, wat erop wijst dat veel kleinere botsingen over een langere periode hadden kunnen resulteren in de structuren die we nu zien.)

De fusie veranderde alles: de loop van de halo van de Melkweg, de binnenste uitstulping en de afgeplatte schijf.

Nu gebruiken astronomen verschillende hulpmiddelen om de timing van de Gaia-Worst-Enceladus-stapeling te begrijpen en hoe de jonge Melkweg als gevolg daarvan opgroeide.

In maart 2022, Maosheng Xiang en Hans-Walter Rix van het Max Planck Instituut voor Astronomie begon met het definiëren van Melkweg 1.0, het proto-sterrenstelsel dat bestond vóór enige fusie. Ze deden dit met behulp van Ancient subreus sterren die kleiner zijn dan de zon, en die hun waterstofbrandstof hebben opgebruikt en nu opzwellen. De helderheid van een subreuzenster komt overeen met zijn leeftijd, en zijn licht dient als een vingerafdruk van zijn geboortemateriaal. Toen Xiang en Rix deze aanwijzingen gebruikten om de migratiegeschiedenis van een kwart miljoen subreuzensterren af ​​te leiden, ontdekten ze dat de dikke schijf eerder werd gevormd dan verwacht in theorieën over de vorming van sterrenstelsels: 13 miljard jaar geleden, nauwelijks een oogwenk na de oerknal. .

Populaire kosmologische theorieën suggereren dat het langer had moeten duren voordat zulke grote, goed gedefinieerde structuren zich na de oerknal hadden gevormd. En toch zij blijven opduiken in de waarnemingen van verre sterrenstelsels met de James Webb Space Telescope Rozemarijn Wyse, een astrofysicus aan de Johns Hopkins University.

“Je kunt de manier waarop wij denken dat ons sterrenstelsel is gevormd in verband brengen met wat JWST ziet. Kunnen we een samenhangend beeld krijgen van hoe een sterrenstelsel ontstond? Is ons sterrenstelsel typisch?” ze zei.

De dikke schijf bestond misschien vóór de grote fusie, maar de dunne schijf viel samen met de komst van Gaia-Sausage-Enceladus, ontdekten Xiang en Rix. Dit tweeledige assemblageproces, dat verschillende stellaire schijven produceert, is wellicht gebruikelijk en kan van cruciaal belang zijn voor het ontstaan ​​van sterren. Het geboortecijfer is sinds die razernij gedaald, maar de Melkweg maakt nog steeds zo’n tien tot twintig nieuwe sterren per jaar.

Yuxi (Lucy) Lu, die net van Columbia University naar het American Museum of Natural History was verhuisd, wilde de geschiedenis van de galactische schijf begrijpen en hoe deze in de loop van de tijd is veranderd. Om dat te doen, bestudeerde ze hoe chemische veranderingen gedurende de levensduur van sterren kunnen helpen bij het identificeren van hun geboortelocaties. Ze concentreerde zich op soortgelijke gezwollen, subreuzensterren, en in nieuw, ongepubliceerd werk ontdekte ze dat metaalrijke subreuzen – die met een overvloed aan elementen zwaarder dan helium – serieus begonnen te groeien rond de tijd van de fusie tussen Gaia, Worst en Enceladus. tussen 11 miljard en 8 miljard jaar geleden.

Het bewijsmateriaal voor Gaia-Sausage-Enceladus blijft zich opstapelen. Maar wat astronomen nog steeds niet begrijpen is waarom het sindsdien rustig is gebleven. De chemische en structurele geschiedenis van de Melkweg lijken atypisch, zei Lu.

Andromeda heeft bijvoorbeeld een veel gewelddadiger geschiedenis dan de Melkweg. Het zou vreemd zijn als ons sterrenstelsel zo lang alleen zou blijven, gezien de geschiedenis van andere sterrenstelsels en het heersende kosmologische model dat zegt dat sterrenstelsels groeien door tegen elkaar aan te botsen, zei Wyse. “De geschiedenis van de samenvoeging is ongebruikelijk, net als de geschiedenis van de vergadering. Of we daadwerkelijk ongebruikelijk zijn in het universum... zou ik zeggen, het is nog steeds een open vraag,' zei ze.

Geboorte van een nieuw eiland

Terwijl astronomen het verleden van de Melkweg in kaart brengen, bestuderen anderen hoe de buurten van de Melkweg net zo van elkaar kunnen verschillen als steden en buitenwijken – een mogelijkheid die de vraag doet rijzen hoe planeten (en misschien het leven) door de Melkweg zijn verspreid.

Hier, rond een bepaalde ster op de Lokale Arm, vormden zich acht planeten rond de zon: vier rotsachtige en vier gasvormige planeten. Maar andere armen kunnen anders zijn. Deze omgevingen kunnen verschillende populaties van sterren en planeten voortbrengen, op dezelfde manier waarop gespecialiseerde flora en fauna evolueren op continenten met verschillende biosferen.

“Misschien kan leven alleen ontstaan ​​in een heel stil sterrenstelsel. Misschien kan er alleen leven ontstaan ​​rond een heel stille ster”, zegt hij Jessie Christiansen, een astronoom aan het California Institute of Technology die galactische omstandigheden en hun effecten op de opbouw van planeten bestudeert. “Het is zo moeilijk met deze statistische steekproef van één; alles [over onze Melkweg] kan belangrijk zijn, of niets kan belangrijk zijn.”

Een eeuw nadat Edwin Hubble “VAR!” krabbelde op een glasplaat verandert het arsenaal aan sterrenstelsels die zich in het gezichtsveld van JWST bevinden, wat we weten over de kosmos en onze plaats daarin. Net zoals we de Melkweg kunnen gebruiken als een astrofysisch observatorium om het bredere universum te begrijpen, kunnen we ook het bredere universum en zijn miljarden sterrenstelsels gebruiken om ons thuis te begrijpen en hoe we zijn ontstaan.

Astronomen blijven een pagina uit Hubble's speelboek halen en Andromeda, de zwakke ellips aan de noordelijke hemel, onderzoeken. Zoals Gaia dichter bij huis heeft gedaan, zal het Dark Energy Spectroscopic Instrument van het Kitt Peak National Observatory individuele sterren in Andromeda meten en hun bewegingen, leeftijden en chemische hoeveelheden nauwkeurig onderzoeken. Wyse is ook van plan individuele sterren in het aangrenzende sterrenstelsel te bestuderen met behulp van de Subaru-telescoop op Mauna Kea.

Als je dit doet, krijg je een nieuw beeld van Andromeda's verleden en een nieuwe vergelijking voor ons eigen sterrenstelsel. Het zal ook een vage glimp van de zeer verre toekomst bieden. Ons sterrenstelsel zal uiteindelijk twee kleine nabijgelegen sterrenstelsels vernietigen, de Grote en de Kleine Magelhaanse Wolken, die door de ruimte in onze richting schreeuwen. Onze Melkweg begint ze al te verteren.

“Als we dit allemaal over een miljard jaar zouden observeren, zou het er veel rommeliger uitzien,” zei Conroy. “We bevinden ons toevallig in een tijd waarin het relatief rustig is.”

Vervolgens zal ook Andromeda zich bij ons voegen. Het sterrenstelsel dat de glasplaten van Edwin Hubble omspant, zal niet langer een eilanduniversum zijn. Andromeda en de Melkweg zullen naar elkaar toe draaien, waarbij hun stellaire halo's samenwervelen. Op een tijdschaal die het begrip te boven gaat, zullen de schijven zich ook combineren, waardoor koud gas wordt verwarmd en dit condenseert en nieuwe sterren ontbranden. Aan de randen van welke structuur dan ook wordt gebouwd, zullen nieuwe zonnen verschijnen, en daarmee ook nieuwe planeten. Maar voorlopig is alles rustig, hier op de Lokale Arm van het enige sterrenstelsel dat we ooit zullen kennen.