Hoewel sterrenstelsels [ev. Galaxy, mv. Galaxies, oorspronkelijk uit het Oudgrieks, verwijzend naar ‘melkachtig’ (i.c. Melkweg) en te onderscheiden van het begrip zonnestelsels] voorkomen in een enorme verscheidenheid aan soorten en maten is er wel degelijk een duidelijke rode draad te schetsen met betrekking tot hun ontwikkeling over miljarden van jaren.
Sinds de lancering van de Hubble Space Telescope in 1990 is onze kennis aangaande de diversiteit van sterrenstelsels enorm toegenomen. Dit maakt het inmiddels mogelijk om verschillende potentiële ontwikkelingsstadia te schetsen. In de loop van dit artikel zal ik dergelijke stadia in de ontwikkeling van sterrenstelsels toelichten.
Veel zaken omtrent de oorsprong en de evolutie van ons universum zijn nog altijd in nevelen gehuld. We kunnen tegenwoordig dan misschien wel heel ver in de geschiedenis van ons universum terugkijken, maar het blijven slechts momentopnamen in plaats en tijd.
Derhalve blijft veel kennis van ons universum gebaseerd op momentopnamen en wetenschappelijk beredeneerde speculatie naar aanleiding daarvan. Mijn artikel is hierop geen uitzondering en vormt op zijn best een uittreksel daarvan. Bij gebrek aan meer gedetailleerde wetenschappelijke kennis en inzichten ontkom ook ik zo nu en dan niet aan enige speculatie.
Als je dit artikel liever niet volledig doorleest, scroll dan tenminste even langs de ‘coole’ afbeeldingen van sterrenstelsels, die de verschillende potentiële ontwikkelingsstadia van spiraalvormige naar elliptische sterrenstelsels laten zien. Alle URL’s linken naar de Engelstalige Wikipedia-pagina’s, omdat de Engelse pagina’s doorgaans completer zijn.
De geboorte van objecten zo enorm als sterrenstelsels begint zonder uitzondering met gigantische gas- en stofwolken in de ruimte. Zonder gas en stof kan een sterrenstelsel immers geen vorm krijgen. Het gas en stof dat zulke enorme objecten als sterrenstelsels creëert, stamt rechtstreeks uit de Big Bang en vormt zo de eerste bestaansvoorwaarde.
De tweede bestaansvoorwaarde voor een sterrenstelsel vormt de aanwezigheid van een superzwaar zwart gat (Supermassive Black Hole) waar alles omheen roteert. De oorsprong van een superzwaar zwart gat kan tweeledig zijn. Het stamt uit de begintijd van het universum en heeft op enig moment gigantische gas- en stofwolken ingevangen of de instorting van gigantische gas- en stofwolken onder hun eigen zwaartekracht heeft het superzware zwarte gat gecreëerd.
Er bestaan aanwijzingen dat veel superzware zwarte gaten al in de begintijd van het universum zijn ontstaan, maar het tweede scenario valt ook zeker niet uit te sluiten. Onbetwistbaar is dat een superzwaar zwart gat zijn oorsprong vindt in de instorting van materie onder invloed van zijn eigen zwaartekracht.
Als gigantische gas- en stofwolken al dan niet onder invloed van een superzwaar zwart gat instorten en beginnen te roteren, dan ontstaat er aanvankelijk een enigszins sferische of bolvormige hoop van roterende materie. Vanwege het behoud van impulsmoment van alle afzonderlijke deeltjes samen zal er altijd sprake zijn van een netto rotatie. Waar dit lokaal niet of onvoldoende het geval is, zal een deel van de materie verder instorten en opgaan in het superzware zwarte gat. De vervolgens overblijvende materie zal om het superzware zwarte gat heen gaan roteren.
De concentrische afplatting van een aanvankelijk sferisch roterende constellatie van instortende gas- en stofwolken is het gevolg van het over langere termijn opheffen van alle omloopbanen die zich niet loodrecht op de rotatieas van het beginnende sterrenstelsel bewegen. Tegelijkertijd schikken de concentrische omloopbanen zich zodanig dat de banen zich hoofdzakelijk parallel langs elkaar bewegen. Dit komt sterk overeen met de ontwikkeling van zonnestelsels waarin de meeste objecten zich parallel en in het vlak van de ecliptica bewegen.
Het ontstaat omdat de gas- en stofdeeltjes die zich niet loodrecht op de rotatieas en parallel langs elkaar bewegen vroeg of laat in botsing komen met elkaar. Zodanig dat de banen van dergelijke deeltjes zichzelf over langere termijn volledig elimineren en hun impulsmoment overdragen aan parallelle omloopbanen loodrecht op de rotatieas van de concentrisch roterende platte schijf.
Dichterbij het centrum van het sterrenstelsel ontstaat doorgaans een bulge met een meer sferische constellatie van materiaal. Dit is hoofdzakelijk het gevolg van de ter plaatse veel hogere centrale zwaartekracht. De in beginsel lagere potentiële energie van een meer sferische constellatie heeft hier sterker de overhand. Verder weg van het centrum van het sterrenstelsel ontstaat onder invloed van de ter plaatse veel lagere centrale zwaartekracht uiteindelijk een concentrisch roterende platte schijf met parallelle omloopbanen loodrecht op de rotatieas van het beginnende sterrenstelsel.
Overigens raken de omloopbanen van de gas- en stofdeeltjes binnen de bulge over langere termijn eveneens min of meer geordend in concentrische parallel roterende banen vanwege de eliminatie van omloopbanen die tot botsingen kunnen leiden. Tenslotte lijkt de bulge zich gedurende de ontwikkeling van het sterrenstelsel verder uit te kunnen breiden tot een balkvormige ‘barred spiral’ (zie hiervoor onderdeel VIII).
Over tijd storten delen van de gas- en stofwolken verder in onder hun eigen zwaartekracht. Dit leidt uiteindelijk tot stervormingsactiviteit en het ontstaan van ontelbare zonnestelsels. In grotere sterrenstelsels hebben we het dan over honderden miljoenen tot soms wel honderden miljarden sterren en zonnestelsels. Na verloop van tijd ontstaan er binnen sterrenstelsels vaak gebieden met een karakteristieke sterk verhoogde stervormingsactiviteit in de vorm van oplichtende spiraalarmen, vlokvormig oplichtende gebieden of de oplichtende uiteinden van balkvormige gebieden (zie hiervoor onderdeel VII en VIII). Dit kan bijvoorbeeld leiden tot een ‘grand design spiral galaxy‘, zoals de ‘Whirlpool Galaxy‘ hieronder:
Spiraalvormige sterrenstelsels ontlenen hun zichtbare karakter met name aan de gebieden met een karakteristieke sterk verhoogde stervormingsactiviteit in de vorm van oplichtende spiraalarmen, vlokvormig oplichtende gebieden of de oplichtende uiteinden van balkvormige gebieden (zie hiervoor onderdeel VIII). Deze regio’s met een karakteristieke sterk verhoogde stervormingsactiviteit kunnen ontstaan uit gas en stof dat al vanaf de geboorte van het sterrenstelsel aanwezig is en/of uit gas en stof dat is gegenereerd door de explosies van sterren in supernova’s. De laatste vormen een onafzienbare cyclus van gas en stof dat alsmaar metaalrijker wordt als gevolg van de fusieprocessen die in sterren plaatsvinden.
Echter, de aanwezigheid van gas en stof alleen kan de karakteristieke sterk verhoogde stervormingactiviteit op zichzelf niet afdoende verklaren. De oplichtende spiraalarmen van sterrenstelsels en/of vlokvormig oplichtende gebieden binnen de concentrisch roterende platte schijf bestaan namelijk uitdrukkelijk NIET uit statisch materiaal, maar zijn te beschouwen als dichtheidsgolven en schokgolven die zich autonoom door het sterrenstelsel voortplanten. Deze dichtheidsgolven en schokgolven planten zich door het sterrenstelsel voort met een snelheid die substantieel afwijkt van de snelheden van de sterren, gas- en stofwolken in hun respectievelijke omloopbanen om het centrum van het sterrenstelsel.
Sterren, gas en stof bewegen zich dus IN en UIT deze oplichtende spiraalarmen en/of vlokvormig oplichtende gebieden. Schokgolven en dichtheidsgolven zijn overigens zeer nauw aan elkaar verwant en kunnen niet volledig los van elkaar gezien worden. Hoewel ze te onderscheiden oorzaken kunnen hebben, genereren ze vervolgens elkaar indien eenmaal ontstaan. Onder invloed van deze dichtheids- en schokgolven kunnen gas- en stofwolken instorten onder hun eigen zwaartekracht, waardoor deze gebieden van buitenaf herkend worden als oplichtende gebieden met een karakteristieke sterk verhoogde stervormingsactiviteit. Een combinatie van spiraalvormige dichtheidsgolven en significante lokale vlokvormige schokgolven als gevolg van de vorming van zware sterren kan bijvoorbeeld leiden tot een ‘flocculent spiral galaxy‘, zoals de ‘Dusty Spiral Galaxy‘ hieronder:
.jpg)
Dichtheidsgolven in de concentrisch roterende platte schijf ontstaan aanvankelijk mogelijk als gevolg van de interactie met naburige sterrenstelsels, maar ook de centrale bulge wordt aangewezen als potentiële veroorzaker. Schokgolven daarentegen ontstaan aanvankelijk meestal als gevolg van de sterke zonnewind en de supernova’s van hele zware sterren. Eenmaal ontstaan kunnen deze sterk verwante golffenomenen elkaar opvolgen en elkaar langdurig door het sterrenstelsel propageren met lokale stervormingsactiviteit tot gevolg.
Dichtheids- en schokgolven, de als gevolg hiervan evoluerende zwaartekrachtspatronen en het actief transport van gas en stof richting het centrum lijken de bulge na verloop van tijd actief te kunnen transformeren van een hoofdzakelijk sferische constellatie via een elliptische constellatie naar een meer balkvormige constellatie met karakteristieke sets van omloopbanen van sterren. Dergelijke processen beïnvloeden uiteindelijk ook de spiraalarmen, die bij ‘barred spirals’ altijd aan de uiteinden van de balkvorm ontspringen.
Dichtheids- en schokgolven, de als gevolg hiervan evoluerende zwaartekrachtspatronen en het actief transport van gas en stof richting het centrum worden verondersteld te kunnen leiden tot een ‘barred spiral galaxy‘, zoals ‘NGC 1300‘ hieronder:
Spiraalvormige sterrenstelsels worden over het algemeen beschouwd als relatief jonge sterrenstelsels die nog geen grootschalige naderingen, botsingen of samensmeltingen met andere sterrenstelsels hebben ondergaan. Als spiraalvormige sterrenstelsels andere sterrenstelsels op hun weg tegenkomen, dan is het goed mogelijk dat ze volledig in elkaar opgaan en samensmelten tot een nieuw sterrenstelsel met meer elliptische kenmerken (zie hiervoor onderdeel X)
De kans hierop is groter als ze enigszins vergelijkbare snelheden hebben. Bij snelheden die elkaar in hoge mate ontlopen of bij snelheden die diametraal tegenover elkaar staan, gaan beide sterrenstelsels echter vaak alsnog hun eigen weg. Maar niet voordat ze elkaar in gravitationeel opzicht enorm hebben beïnvloed.
Veel verrassende en lastig te verklaren structuren van sterrenstelsels zijn het gevolg van dergelijke sterke gravitationele interacties en de hiermee verband houdende dichtheids- en schokgolven die vervolgens door de beschikbare gas- en stofwolken trekken. Vandaar dat er ontelbare atypische sterrenstelsels bestaan, waarbij het soms gissen is hoe ze precies zijn ontstaan. Hoewel het universum zonder twijfel enorm is, komen sterrenstelsels elkaar over een tijdsbestek van miljarden jaren toch verrassend vaak tegen.
Frontale botsingen transformeren spiraalvormige sterrenstelsels niet zelden in karakteristieke ringvormige sterrenstelsels met stervormingsactiviteit die zich in een ring naar buiten uitstrekt als gevolg van de zich vanuit het centrum verplaatsende dichtheids- en schokgolven. De hierdoor vervolgens instortende gas- en stofwolken onder hun eigen zwaartekracht leiden tot deze stervormingsactiviteit. De ‘Cartwheel Galaxy‘ hieronder lijkt bijvoorbeeld sterk te zijn beïnvloed door de frontale passage van het sterrenstelsel rechts achter in het midden zo’n 200-300 miljoen jaar geleden en kan worden beschouwd als een typisch voorbeeld van zo’n ‘ring galaxy‘.
Voor sterrenstelsels die geen specifieke kenmerken overeenkomstig de ‘Hubble sequence’ delen, bestaat er de classificatie van ‘irregular galaxy‘.
Elliptische sterrenstelsels worden doorgaans gekenmerkt door hun enigszins sferische en langgerekte verschijningen, relatief oude sterren en relatief weinig tekenen van recente stervormingsactiviteit. Ze worden geacht te zijn ontstaan als gevolg van het naderen, botsen of samensmelten van sterrenstelsels onderling. De omloopbanen van de sterren in elliptische sterrenstelsels zijn daarnaast bij lange na niet zo geordend als in jongere spiraalvormige sterrenstelsels.
Terwijl omloopbanen van gas- en stofdeeltjes zich aanvankelijk in hoofdzakelijk parallelle omloopbanen loodrecht op de rotatieas van de concentrisch roterende platte schijf uitlijnen, zijn sterren daarentegen zodanig ver van elkaar verwijderd dat de potentiële botsingen die een dergelijk ordeningsproces aandrijven uiterst zeldzaam zijn geworden. Zelfs als sterrenstelsels elkaar frontaal raken, bewegen ze doorgaans door elkaar heen zonder dat er botsingen tussen individuele sterren plaatsvinden. Er is dus niet langer sprake van een aangedreven ordeningsproces.
Als gevolg hiervan kan er na nadering, botsing of samensmelting van sterrenstelsels onderling een grote diversiteit aan omloopbanen om het centrum van het sterrenstelsel ontstaan. De afwezigheid van recente stervormingsactiviteit lijkt te worden veroorzaakt door het grotendeels opgebruiken van de beschikbare gas- en stofwolken tijdens de meest recente samensmelting(en) en de hierdoor oplaaiende stervormingsactiviteit. Het typische gevolg van grootscheepse zwaartekrachtsverstoringen en de hieropvolgende dichtheids- en schokgolven die door de beschikbare gas- en stofwolken trekken.
De langgerektheid van veel elliptische sterrenstelsels lijkt te wijzen op de oorspronkelijke aanwezigheid van een groot spiraalvormig sterrenstelsel bij één van de meer recente naderingen, botsingen of samensmeltingen onderling. Hoewel meer autonome ontwikkelingen ook niet altijd uitgesloten kunnen worden. Lensvormige sterrenstelsels vormen daarbij de duidelijkste tussenvorm van elliptische en spiraalvormige sterrenstelsels. Naar gelang sterrenstelsels onderling elkaar vaker naderen, botsen of samensmelten, lijken de kenmerken van de oorspronkelijk betrokken spiraalvormige sterrenstelsels steeds meer naar de achtergrond te verdwijnen. ‘Messier 59‘ hieronder vormt een karakteristiek voorbeeld van zo’n ‘elliptisch sterrenstelsel‘.
Van hoofdzakelijk concentrische en parallelle omloopbanen van gas, stof en sterren in wording naar steeds meer karakteristiek georganiseerde sets van omloopbanen van volwassen sterren in het centrum. Beginnend in de bulge en zich via een balkvorm uitstrekkend in de richting van de spiraalarmen lijkt dit een autonome ontwikkeling voor veel spiraalvormige sterrenstelsels. Veroorzaakt door dichtheids- en schokgolven, de als gevolg hiervan gestaag evoluerende zwaartekrachtspatronen en het actief transport van gas en stof richting het centrum.
Tenslotte lijken als gevolg van het herhaaldelijk naderen, botsen of samensmelten van sterrenstelsels onderling juist elliptische sterrenstelsels een natuurlijk eindpunt te vormen in de evolutie van spiraalvormige sterrenstelsels. Tegelijkertijd kan ook niet volledig worden uitgesloten dat sommige spiraalvormige en lensvormige sterrenstelsels als gevolg van autonome zwaartekrachtspatronen in de richting van meer elliptische sterrenstelsels evolueren.
