Astronomen kunnen nog steeds niet precies zeggen hoeveel sterrenstelsels er bestaan. De huidige schatting ligt ergens tussen 200 miljard (2×10^11) en 2 biljoen, en dit bereik vertelt op zich al een verhaal: elke keer dat telescopen beter werden in het opsporen van zwakke, verre lichtpuntjes, steeg het aantal.
Een sterrenstelsel is in zijn eenvoudigste vorm een zwaartekrachtgebonden verzameling sterren, gas, stof en donkere materie. Maar "sterrenstelsel" omvat een enorm scala van objecten. Sterrenstelsels bevatten gemiddeld ongeveer 100 miljoen sterren en variëren van dwergen met minder dan duizend sterren tot superreuzen met honderd biljoen sterren, elk omcirkelend het zwaartepunt van zijn sterrenstelsel. Dit artikel bekijkt sterrenstelsels als een klasse van objecten – hoe ze worden geclassificeerd, hoe groot ze worden, wat ze bij elkaar houdt en welke momenteel het record voor het verst weg houdt.
Hoeveel sterrenstelsels zijn er?
Het Hubble Deep Field, een uiterst lange belichting van een relatief leeg stukje hemel, gaf astronomen hun eerste werkelijke inzicht op de vraag: het leverde bewijs van ongeveer 125 miljard (1,25×10^11) sterrenstelsels in het waarneembare universum. Dit getal zag er jaren authentiiek uit, vooral omdat het afkomstig was uit de diepste afbeelding die ruimtetelescopen ooit hebben geproduceerd.
Vervolgens, in 2016, combineerde een studie onder leiding van Christopher Conselice van de Universiteit van Nottingham, gepubliceerd in The Astrophysical Journal, veel aanvullende gegevensbronnen en verhoogde de schatting tot minstens twee biljoen (2×10^12) sterrenstelsels in het waarneembare universum tot roodverschuiving z=8 – ongeveer tien keer meer dan rechtstreeks in Hubble-afbeeldingen te zien is. Het gat tussen de twee getallen is geen fout in beide studies; het weerspiegelt hoeveel sterrenstelsels te zwak, te klein of te ver weg zijn om zelfs door een oriëntatiepunt zoals het Hubble Deep Field afzonderlijk op te lossen.
Van dwergen tot superreuzen
De meeste sterrenstelsels hebben een diameter van 1.000 tot 100.000 parsec, of ongeveer 3.000 tot 300.000 lichtjaar, en worden van hun buren gescheiden door afstanden in de orde van miljoenen parsec. Dit gat is belangrijk: de eigen breedte van een typisch sterrenstelsel wordt gemeten in duizenden lichtjaar, maar de lege ruimte ertussen en het volgende sterrenstelsel wordt in miljoenen gemeten.
Binnen dit bereik van 1.000 tot 100.000 parsec ligt een enorme verspreiding van bevolkingen. Een dwergsterrenstelsel kan minder dan duizend sterren bevatten, terwijl een superreus ongeveer honderd biljoen kan bevatten – een verschil van ongeveer elf ordes van grootte in het aantal sterren tussen de kleinste en grootste bekende sterrenstelsels.
Het meeste van een sterrenstelsel kun je niet zien
Sterren en gloeiende gas zijn wat een sterrenstelsel zichtbaar maakt, maar ze vormen niet het grootste deel van zijn massa. Het grootste deel van de massa in een typisch sterrenstelsel bestaat uit donkere materie, met slechts enkele procenten van die massa zichtbaar in de vorm van sterren en nevels. Met andere woorden, de heldere schijf of bolwelvingen die op een foto verschijnen, zijn een dun zichtbare laag over iets veel massiever dat helemaal geen licht uitstraalt.
De aanwijzing die dit onthulde, kwam van beweging, niet van licht. In de jaren zeventig vond astronoom Vera Rubin een discrepantie tussen de waargenomen rotatiesnelheid van sterrenstelsels en de snelheid voorspeld door alleen de zichtbare massa van hun sterren en gas. Sterren ver van het centrum van een sterrenstelsel bewogen sneller dan de zichtbare materie kon verklaren – precies het soort mismatch dat wijst op een grote voorraad onzichtbare materie die het sterrenstelsel bijeen houdt.
Een sorteersysteem dat Hubble niet uitvond
De meeste sterrenstelsels worden gesorteerd met behulp van de Hubble-reeks, een morfologisch classificatieschema voor sterrenstelsels gepubliceerd door Edwin Hubble in 1926. Ondanks zijn naam werd het uitgevonden door John Henry Reynolds en Sir James Jeans; Hubble populariseerde en publiceerde het schema in plaats van het uit te vinden.
.jpg){kind=link}
De elliptische tak van de reeks heeft zijn eigen interne schaal. Elliptische sterrenstelsels worden beoordeeld van E0 tot E7, volgens een conventie waarin het klassenummer tien keer de ellipticiteit van het sterrenstelsel is, afgerond op het dichtstbijzijnde gehele getal – dus een bijna cirkelvormig sterrenstelsel aan de hemel leest als E0, en een afgeplat, langwerpig als E7.
Tussen de elliptische tak en de twee spiraaltkken van het klassieke stemvorkdiagram zit een derde groep. In het midden van de Hubble-stemvork, waar de twee spiraalstelseltakken en de elliptische tak samenkomen, ligt een tussenklas van sterrenstelsels bekend als lenticulaires en aangeduid met het symbool S0 – noch duidelijk elliptisch noch duidelijk spiraal, maar een tussenliggende vorm.
De grootste vormen in de kosmische dierentuin
Elliptieken produceren ook de grootste bekende sterrenstelsels. De grootste sterrenstelsels zijn superreus-elliptieken, ook wel cD-type sterrenstelsels genoemd – een afzonderlijke aanduiding van de gewone elliptische klasse, voorbehouden voor echte reuzen.
Zelfs zonder de superreuzenklas, gewone elliptische sterrenstelsels alleen dekken een enorm bereik af: ze variëren sterk in zowel grootte als massa, met diameters van 3.000 lichtjaar tot meer dan 700.000 lichtjaar en massa's van 10^5 tot bijna 10^13 zonnemmassa's. Dit bovenste uiteinde van het bereik is meer dan 200 keer breder dan het onderste uiteinde.
Eén elliptisch sterrenstelsel behaalde een ander record. M87 (NGC 4486) herbergt het superzware zwarte gat dat het eerste zwarte gat werd dat ooit werd gefotografeerd, door de Event Horizon Telescope – waarbij een sterrenstelsel dat al opvallend was vanwege zijn grootte, werd omgezet in de bron van het eerste directe beeld van een zwarte gatschaduw.
Wanneer de kern van een sterrenstelsel verlicht
Niet elk galactisch nucleus zit stil. Sommige gloeien van straling, en de meest extreme gevallen zijn quasars. Afstanden onder bekende quasars variëren enorm: de dichtstbijzijnde bekende quasar, Markarian 231, is ongeveer 581 miljoen lichtjaar van de Aarde verwijderd, terwijl anderen zo ver weg zijn ontdekt als UHZ1, ongeveer 13,2 miljard lichtjaar verwijderd – een gat van meer dan tweeëntwintig keer de afstand.
.jpg){kind=link}
Radiogolven onthullen een ander type extreem sterrenstelsel. Alcyoneus is een radiosterrenstelsel met de grootste waargenomen radioemissie van enig bekend sterrenstelsel, met zijn gelobde structuren spanning 5 megaparsec, of 16×10^6 lichtjaar. Ter vergelijking: een ander soortgelijk groot radiosterrenstelsel is 3C 236, met lobben 15 miljoen lichtjaar breed – wat betekent dat Alcyoneus' radiolobben alleen verder reiken dan veel hele sterrenstelselhopen.
Miljarden bij elkaar gebonden
Sterrenstelsels bestaan zelden in isolatie; de meeste behoren tot grotere structuren die samen door zwaartekracht worden gehouden. Een sterrenstelselhoop bevat meestal 100 tot 1.000 sterrenstelsels, heet röntgenstraling uitstotend gas en grote hoeveelheden donkere materie, met totale massa's van 10^14 tot 10^15 zonnemmassa's en diameters van 1 tot 5 megaparsec.
Decennialang hielden hoopen de titel vast van de grootste dingen in het universum: ze werden geacht de grootste bekende structuren in het universum te zijn tot de jaren tachtig, toen superhoopen werden ontdekt en ze van de eerste plaats verdrangen.
Het gas dat een hoop vult is al dan niet koud. Het verhitte intrahoop-medium gas heeft een piektemperatuur tussen 30 en 100 miljoen graden Celsius – heet genoeg om in röntgenstralen te gloeiien, wat is hoe astronomen er veel van in de eerste plaats uitvinden.
Het verste sterrenstelsel in record
Afstandsrecords in astronomie zijn doorgaans van korte duur, en GN-z11 is een goed voorbeeld van waarom. Ontdekt met de Hubble Space Telescope en aangekondigd in een artikel uit 2016, hield GN-z11 de titel van het oudste en verste sterrenstelsel ooit geïdentificeerd in het waarneembare universum, met een spectroscopische roodverschuiving van z = 10.957, overeenkomend met een geschikte afstand van ongeveer 32 miljard lichtjaar – totdat de James Webb Space Telescope in 2022 JADES-GS-z13-0 vond en het record overnam.
Dit zesjarig bewind is een herinnering aan hetzelfde patroon dat in de schattingen van het aantal sterrenstelsels wordt gezien: elke generatie telescoop duwt de bekende grenzen van het universum verder weg, en de huidige recordhouder is alleen het verste sterrenstelsel dat iemand tot nu toe heeft gevonden, niet noodzakelijk het verste dat bestaat.