Het levensverhaal van ons sterrenstelsel blijkt nog een stukje spannender dan astronomen dachten. De Melkweg botste in zijn jeugd op een mysterieus stelsel dat ‘Kraken’ heet. Dat volgt uit simulaties die gebruikmaken van kunstmatige intelligentie.

Botsingen van galactische proporties zijn niet ongebruikelijk. Wanneer twee sterrenstelsels om elkaar heen draaien, zullen ze door hun onderlinge zwaartekracht langzaam maar zeker naar elkaar toe bewegen. Deze dans kan miljarden jaren duren zonder dat er daadwerkelijk contact is tussen de stelsels, maar op een gegeven moment komen ze in elkaars vaarwater. Dan raken de talloze sterren van de stelsels met elkaar vermengd. Het grootste stelsel van het paar slokt het kleinere stelsel op.

Ook de Melkweg heeft in zijn geschiedenis een paar keer een stelsel opgegeten. Hoe vaak, wanneer en met welke stelsels dat precies gebeurde, is al lange tijd onderwerp van onderzoek. Nu heeft een internationaal team van wetenschappers de hele botsingsgeschiedenis van de Melkweg in kaart gebracht. Daarbij kwam tot hun verrassing een tot nog toe onbekend stelsel om de hoek kijken. De astronomen publiceerden hun vondst in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Een fietshelm voor elke fietser?
LEES OOK
Een fietshelm voor elke fietser?

Oude bollen

Om de geschiedenis van de Melkweg te reconstrueren, keken de onderzoekers naar bolvormige sterrenhopen. Dat zijn groepen sterren die een stevig geheel vormen door hun sterke onderlinge zwaartekracht. Bolvormige sterrenhopen draaien om de kern van een sterrenstelsel heen.

Ongeveer de helft van de 150 bekende bolvormige sterrenhopen van de Melkweg bestonden al lang voordat ze in ons sterrenstelsel terechtkwamen. Ze vormden in de kleinere stelsels waar de Melkweg uit is opgebouwd. Daardoor kunnen ze dienen als een soort ‘fossielen’ die iets vertellen over de evolutie van ons sterrenstelsel, zeggen de onderzoekers.

Om het lot van de bolhopen tijdens stelselbotsingen te reconstrueren, is behoorlijk wat computerkracht nodig. ‘De grootste uitdaging is dat het samensmelten van sterrenstelsels een extreem rommelig proces is dat de banen van de bolvormige sterrenhopen herschikt’, zegt onderzoeksleider Diederik Kruijssen van de Universiteit van Heidelberg in een persbericht. Om die complexe klus te klaren, maakte het team van Kruijssen gebruik van simulaties van Melkwegachtige stelsels en kunstmatige intelligentie (AI).

Bolhopen, die door de zwaartekracht goed bij elkaar blijven, kunnen dienen als ‘fossielen’. Beeld: NASA

Zeemonster

De AI bekeek talloze simulaties van hoe een Melkwegachtig stelsel andere sterrenstelsels opvreet. Het algoritme lette daarbij goed op wat er gebeurt met hun bolhopen. Zo leerde het  systeem ook het omgekeerde te doen: door te kijken naar de eigenschappen van de sterrenhopen in het resulterende stelsel, zoals hun leeftijd, de chemische samenstelling en hun baan rondom het stelselcentrum, kon het reconstrueren uit welke oerstelsels ze voortkwamen.

De lessen die de AI uit deze simulaties leerde, paste hij vervolgens toe op de échte Melkweg. Zo ontdekten de onderzoekers wanneer de verschillende oerstelsels in de Melkweg belandden en uit hoeveel sterren deze bestonden.

De berekeningen van de AI spuwde tot de verbazing van de onderzoekers een nog onbekend oerstelsel uit. Dit stelsel, dat 11 miljard jaar geleden door de Melkweg moet zijn verzwolgen, gaven ze de naam Kraken – naar het mysterieuze, mythische zeemonster.

Heftigst

‘De botsing met Kraken moet de meest heftige samensmelting zijn die de Melkweg ooit heeft meegemaakt’, zegt Kruijssen. ‘Tot nog toe dachten we dat de botsing met het Gaia-Enceladus-stelsel, die 9 miljard jaar geleden plaatsvond, de grootste was. Maar de samensmelting met Kraken vond 11 miljard jaar geleden plaats, toen de Melkweg nog vier keer minder massa bevatte.’ Minder massa betekent dat de structuur van het stelsel veel grondiger veranderde door het mengwerk dan bij de relatief kleinere Gaia-Enceladus-botsing die later volgde.

De vondst van de Gaia-Enceladus-botsing staat op naam van de Groningse sterrenkundige Amina Helmi. Zij noemt het nieuwe onderzoek interessant en bijzonder. ‘Het team gebruikte neurale netwerken die ze trainden op basis van simulaties. Dat is een ongebruikelijke methode bij de zoektocht naar botsingen. Gewoonlijk kijk je naar de data zelf; de bewegingen van de sterren zoals we die nu meten, eventueel gecombineerd met simulaties.’

Zo ontdekte Helmi de Gaia-Enceladus-botsing door specifieke sterren te identificeren die uit dat oude stelsel afkomstig zijn. Volgens haar is dat dan ook de volgende stap die het nieuwe onderzoek kan bevestigen. ‘Ik zie het werk nog als een beginstap. Nu is het zaak om de sterren te vinden van toen, die met het Kraken-stelsel zijn binnengekomen. Je moet ze karakteriseren: zien wanneer ze geboren zijn, vaststellen dat hun bewegingen en chemische samenstelling anders zijn. Dan ben je zeker van je zaak.’

Helmi heeft wel goede hoop dat de resultaten zullen kloppen. ‘Er waren al hints die naar dit ‘extra’ stelsel wezen. Dat volgde ook uit mijn eigen onderzoek, en dat van nog andere onderzoekers. Dus het is zeker mogelijk dat het waar is.’

Bovenstaande simulatie toont de evolutie van een Melkwegachtig stelsel. Het grijs is gas waar onder meer sterren uit ontstaan. Wanneer een ster vormt, blaast zijn straling het gas in de directe omgeving weg, waardoor een ‘bel’ in het grijs ontstaat. De gekleurde stippen zijn bolvormige sterrenhopen. De verschillende kleuren staan voor verschillende chemische samenstellingen. Door lessen te trekken uit zulke simulaties, kan AI aan de hand van de huidige stand van zaken van ‘onze’ bolhopen ook reconstrueren wanneer de Melkweg stelsels opslokte. Bron: J. Pfeffer/D. Kruijssen/R. Crain/N. Bastian

Nog niet uitgebotst

Naast het Gaia-Enceladus-stelsel en het ‘nieuwe’ Kraken-stelsel heeft de Melkweg gedurende zijn leven nog drie stelsels van formaat opgevreten: Sagittarius, Sequoia en het stelsel waar de zogeheten Helmi-stroom (ook ontdekt door Amina Helmi) uit is voortgekomen, een aantal sterren dat het restje is van een opgeslokt dwergsterrenstelsel. Elk van deze oerstelsels bevatte meer dan tientallen miljoenen tot honderd miljoen sterren. Daarnaast at ons sterrenstelsel waarschijnlijk een aantal kleine stelsels op.

Helmi denkt niet dat het levensverhaal van de Melkweg met de vondst van Kraken compleet is. ‘We ontvangen de komende jaren meer data van ruimtetelescoop Gaia. Daar zitten onder meer gegevens bij over sterren die zich dichter bij het centrum van de Melkweg bevinden. Die zijn ouder en zijn dus mogelijk ook eerder de Melkweg binnengekomen. Ik verwacht dan ook dat we uit die nieuwe meetgegevens nog meer samensmeltingen ontdekken – vooral met kleinere stelsels, maar wellicht ook met grotere.’

De Melkweg is vandaag de dag ook nog niet uitgebotst. Ons stelsel zal zich in de toekomst tegoed doen aan de Grote Magelhaense Wolk, een buurstelsel. De eerstvolgende grootste crash staat over zo’n 4 miljard jaar op het programma. Dan zal de Melkweg zich mengen met de Andromedanevel.

New Scientist 81 oktober 2020
Meer weten over hoe onze Melkweg ontstond? Lees het interview met sterrenkundige Amina Helmi in het oktobernummer van New Scientist, te bestellen in onze webshop.