Melkweg (sterrenstelsel)

Het is voor astronomen niet gemakkelijk geweest zich een beeld te vormen van de structuur van de Melkweg, want de Aarde maakt er zelf deel van uit. Ook wordt ons zicht op grote delen ervan verhinderd door interstellaire stofwolken (absorptienevels). Na veel observatie en modelvorming is men er uiteindelijk toch in geslaagd zich een redelijk nauwkeurig beeld te vormen van deze structuur. Onderzoek naar de structuur van de Melkweg werd onder meer gedaan door William Herschel, Jacobus Cornelius Kapteyn en Jan Hendrik Oort.

Van opzij ziet de Melkweg eruit als een schotel (de galactische schijf) met een verdikte kern (de centrale verdikking). De galactische schijf heeft een diameter van 100 000 - 120 000 lichtjaren;[3][4] de dikte is buiten de centrale verdikking ongeveer 3000 lichtjaren. De Melkweg is samengesteld uit ten minste 200 miljard sterren (recentere schattingen spreken zelfs van rond de 400 miljard sterren), waarvan het grootste deel zich in de schijf bevindt.

Het stelsel bevat oude en nieuwe sterren, stof en moleculaire gaswolken. Het bestaat uit een centrale verdikking (bulge), een schijf met vier grote en enkele kleinere 'spiraalarmen' en een halo.

De centrale verdikking van de Melkweg is waarschijnlijk balkvormig en is geelwit van kleur. Hij heeft een diameter van ongeveer 20 000 lichtjaar en een dikte van ongeveer 6000 lichtjaar en bevat naar schatting 50 miljard sterren in een dichte concentratie. Hoe de balkspiraal van de Melkweg, dat zich uitstrekt door het galactisch centrum, er precies uitziet is vaak onderwerp van debat. De lengte van de helft van de balk schat men tussen de 1 en 5 kiloparsec en de helft van de lengte tussen de 10 en 50 graden. De balk zou omgeven kunnen zijn door een ring, genaamd de 5 kiloparsec ring, waar een groot deel van het moleculaire waterstof van het totaal in de Melkweg te vinden zou zijn, met tevens de meeste stervorming van ons sterrenstelsel. Zou men de Melkweg vanuit het Andromedastelsel aanschouwen zou dit het meest oplichtende deel zijn.

In het centrum van de Melkweg bevindt zich hoogstwaarschijnlijk een superzwaar zwart gat, Sagittarius A*. Dit is echter niet erg actief, want er is - in tegenstelling tot de situatie in de galactische schijf - in het centrum weinig interstellair gas overgebleven.

De galactische schijf wordt gevormd door diverse spiraalarmen, plaatsen waar de dichtheid van sterren (en vooral die van jonge, lichtkrachtige sterren), H-II-gebieden en moleculaire wolken groter is dan elders. De Melkweg heeft vier hoofdarmen en minimaal twee kleine armen. De vier hoofdarmen zijn de Sagittariusarm, de Perseusarm, de Cygnusarm en de Centaurusarm. Het zonnestelsel bevindt zich in een van de kleinere armen, de Orionarm. Echter men is het nog niet eens over de precieze naamgeving en her verloop van de spiraalarmen (zie ook de figuur).

Geobserveerde en geëxtrapoleerde structuur van de spiraalarmen van onze Melkweg.
groen: Crux-Scutum arm
rood: Carina-Sagittarius arm
oranje: Orion-Cygnus arm
blauwgroen: Perseus-arm
paars: Norma-arm (binnen), Outer arm, New Outer arm

De halo is een 'bolvormige ruimte' om de Melkweg heen. Daarin bevinden zich relatief kleine bolvormige sterrenhopen, elk bestaande uit zo'n 100 000 zeer oude sterren. Door spectraalanalytisch onderzoek ontdekten astronomen dat de samenstelling van die sterren verschilt van die van de galactische schijf. Men spreekt hier van zogenaamde Populatie II sterren. Ook de sterren van de centrale verdikking behoren voor het grootste deel tot dit type. Een van de oudste Populatie II sterren is HE 1523-0901 met een leeftijd van ongeveer 13,2 miljard jaar.

De laatste jaren is onder astronomen het vermoeden gerezen dat er zich in de halo veel meer materie bevindt dan die van de enkele honderden bolvormige sterrenhopen. De snelheid waarmee sterren rond het centrum van de Melkweg draaien (de rotatiekromme) neemt niet af met de afstand, hetgeen doet vermoeden dat de massa niet grotendeels in centrale verdikking en schijf geconcentreerd is, maar min of meer gelijkelijk verspreid is over de halo, die zich dan bovendien over een veel grotere afstand zou uitstrekken dan men tot dusverre meende. Ook zou een dergelijke massaverdeling beter begrijpelijk maken dat het stelsel überhaupt stabiel is.

Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van de theorie van de donkere materie, een vorm van materie, die geen licht uitzendt of absorbeert en behalve door gravitatie nauwelijks interactie heeft met "gewone" materie. Het is niet onwaarschijnlijk dat de massa van deze "donkere materie" 10 maal zo groot is als die van de "zichtbare materie". Het bestaan van deze vorm van materie is echter nog niet aangetoond; het is een van de grote mysteries van de astrofysica.

Het zonnestelsel bevindt zich in de galactische schijf, ongeveer halverwege het centrum en de rand van de Melkweg. Er is sprake van differentiële rotatie, wat wil zeggen dat de Melkweg niet als een wiel om haar centrum draait, maar dat omloopsnelheid van objecten in het stelsel afneemt naarmate zij verder van het centrum verwijderd zijn.[2] Aan de hand van de relatieve bewegingen van een groot aantal sterren wordt geraamd dat onze Zon met een snelheid van ongeveer 220 km/s rondom het centrum van de Melkweg draait en één omwenteling voltooit in ongeveer 220 miljoen jaar. Hieruit kan, aan de hand van de zwaartekrachtswet van Newton, worden berekend dat de massa van het stelsel die zich binnen de baan van onze Zon bevindt ongeveer 90 miljard zonnemassa bedraagt. De totale massa is ongetwijfeld nog veel groter.

Met behulp van de Fermi Gamma-ray Space Telescope zijn twee enorme gasbellen ontdekt van ieder 25 000 lichtjaar doorsnede, die zich loodrecht op het vlak van de Melkweg bevinden en vanuit het centrum lijken te zijn uitgestoten.[5] Mogelijk gaat het hier om overblijfsels van uitbarstingen van het supermassieve zwarte gat. Ook kunnen ze zijn gevormd bij een geboortegolf van zware sterren dicht bij het centrum van de Melkweg. Het feit dat de gasbellen scherp begrensd zijn en niet uitgewaaierd, doet vermoeden dat ze pas enkele miljoenen jaren geleden zijn ontstaan.

Spiraalvormig sterrenstelsel Messier 51

een deel van de Virgocluster

Tot de jaren twintig van de 20e eeuw was het niet bekend dat er zich buiten onze Melkweg nog andere sterrenstelsels bevonden. Men ging er algemeen van uit dat het melkwegstelsel uniek was in het heelal, en dat er daarbuiten geen ander sterrenstelsel was. Weliswaar had de filosoof Immanuel Kant (1724-1804) al een suggestie gedaan dat de door astronomen waargenomen "nevels" in werkelijkheid andere "melkwegen" zouden kunnen zijn zoals de onze, maar aan deze suggestie was niet veel aandacht geschonken. De astronoom Vesto Slipher toonde in 1914 het bestaan aan van de roodverschuiving in de spectra van bepaalde spiraalnevels en de daaraan gekoppelde radiale snelheid, die veel hoger dan mogelijk was voor objecten binnen de Melkweg. Hij legde met deze observaties de basis voor de ontdekkingen van de astronoom Edwin Hubble. Met behulp van de principes van het relativistisch dopplereffect (roodverschuiving) en de 100-inch Hookertelescoop stelde deze vast dat de sterrenstelsels zich steeds sneller van ons verwijderden, geformuleerd in de wet van Hubble-Lemaître. Dit bevestigde de hypothese van Georges Lemaître dat het hierbij ging om een reële expansie van het heelal.

Thans weten we dat de sterrenstelsels zelf ook weer groepen vormen, clusters genoemd. De Melkweg maakt deel uit van de zogenoemde Lokale Groep van ongeveer 30 stelsels, waartoe ook het Andromedastelsel (M31), de Driehoeknevel (M33) in het sterrenbeeld Driehoek en de Magelhaense wolken behoren. De Lokale Groep bestaat verder voor het grootste deel uit dwergachtige, onregelmatige of elliptisch gevormde stelsels. De dichtstbijgelegen cluster is de Virgocluster. Zowel de Lokale Groep als de Virgo Cluster zijn onderdeel van de Lokale Supercluster, een van de gigantische groepen van clusters van sterrenstelsels in het universum.[6]

Promotieonderzoek in 2000 van Amina Helmi heeft aangetoond dat de Melkweg is ontstaan door botsingen en samensmeltingen van kleinere stelsels. Zij gebruikte hiervoor de gegevens die tussen 1989 en 1993 door de HIPPARCOS satelliet van de plaatsen en bewegingen van 120 000 sterren zijn verzameld. Zij ontdekte dat er ten minste twee kleinere sterrenstelsels zijn geweest waar de Melkweg uit is ontstaan. Voor haar ontdekking werd ze in oktober 2004 onderscheiden met de Christiaan Huygensprijs.

Astronomen hebben, met behulp van gegevens afkomstig van de Hubble Ruimtetelescoop, berekend dat de Melkweg waarschijnlijk over 4 miljard jaar zich zal samenvoegen met het Andromeda-sterrenstelsel.[7] De zon raakt wellicht uit haar koers, maar dat zal verder geen gevolgen hebben voor het zonnestelsel. Misschien komt er ook een tweede botsing, met de Driehoeknevel. Dat gebeurt waarschijnlijk na de botsing met de Andromedanevel.[7] Dit is dus ongeveer gelijk met de al voorziene ingrijpende veranderingen van de Zon en de Aarde.

Jacopo Tintoretto's "Het Ontstaan van de Melkweg"

Volgens de Egyptische mythologie is de Melkweg ontstaan uit de melk die vloeide uit de uier van de hemelse koe. De vier poten van de koe steunden op de vier hoeken van de Aarde.

Volgens de oude Grieken zou de god Zeus de baby Herakles aan zijn vrouw Hera hebben gegeven om te zogen. Toen Hera besefte dat de baby niet haar eigen kind was, maar het zoveelste kind dat haar brave echtgenoot bij een andere vrouw had verwekt, duwde ze het verontwaardigd van zich af. De daarbij gemorste melk vormde de Melkweg, in het Oudgrieks genaamd "galaxias" (γαλαξίας) (afgeleid van het Griekse woord "γάλα", (melk)).

De Kelten noemden de Melkweg de ketting van Lugh. En volgens de Noordse mythologie ontstond de kosmos uit interactie van een wereld van nevel (Niflheim) en een wereld van vuur (Muspelheim) in de zogenaamde Ginnungagap, een kosmische lege kloof. Eerst werd dit het oerwezen Ymir, maar dit gigantisch wezen is dan opgeofferd om er de werelden mee te construeren. Zijn wenkbrauwen werden rondom de mensenwereld gelegd om deze tegen andere gigantische krachten te beschermen.

De Azteken noemden de Melkweg Mixcoatl, "wolkenslang", en associeerden hem met de god met dezelfde naam.

De Melkweg komt veel voor in sciencefictionverhalen als de achtergrond waar de helden zich in bewegen. Soms wordt er verhaald over reusachtige imperiums die gedeeltelijk of geheel de Melkweg omspannen. Bekend is de Foundation-serie van Isaac Asimov waar het verval van een oud en de opkomst van een nieuw Melkwegimperium wordt beschreven.

Een ander voorbeeld vormen enkele van de bekendere verhalen van H.G. Wells en dat van Peter F. Hamilton: The Night's Dawn Trilogy. Ook kan men denken aan series als Star Trek, Battlestar Galactica en Stargate SG-1. De filmcyclus Star Wars speelt zich af in een ander sterrenstelsel: de film start met de tekst: "A long time ago, in a galaxy far, far away..." ("Lang geleden in een sterrenstelsel, heel, heel ver weg...").[8]

• Melkwegstelseldraaiingsprobleem
• Sterrenstelsel

Zie de categorie Milky Way Galaxy van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.