Spiraalarmen zijn golvende sterrenstelsels

Op een donkere plek zie je de Melkweg als lichte band aan de hemel. Dit ‘zijaanzicht’ zou nog spectaculairder worden als we ons sterrenstelsel van een afstandje konden bekijken. Gelukkig hebben we nog veel andere sterrenstelsels om ons heen, en zien we dat een flink deel eruit ziet als een soort draaikolken van honderden miljarden sterren, vaak verdeeld over meerdere spiraalarmen.

Duizelingwekkend mooi, maar waarom heeft een sterrenstelsel armen? De zwaartekracht dicteert dat de sterren dichtbij het centrum sneller draaien dan aan de rand van het sterrenstelsel. Je zou verwachten dat een spiraalarm over de loop van de tijd steeds verder ‘opgewonden’ raakt. Toch lijkt dat bij veel sterrenstelsels niet aan de hand te zijn. Spiraalarmen weten zich miljarden jaren te handhaven.

Al in de jaren zestig suggereerden astronomen dat de spiraalarmen (tijdelijke) opeenhopingen van sterren zijn die als een soort golf door het sterrenstelsel gaan, veroorzaakt door interacties van de zwaartekracht tussen al die sterren. De theorie stelt dat sterren niet in dezelfde arm blijven zitten, maar geleidelijk van de ene arm in de andere arm terechtkomen. Astronomen hebben nu voor het eerst waargenomen dat de spiraalarmen inderdaad veel weghebben van zo’n golf. Ze publiceren hun bevindingen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Astronomy.

‘Verse’ sterren

Als sinds het ontstaan van de golftheorie (of density wave theory) is het niet gelukt hem te testen. Daarvoor heb je de draaisnelheid van de armen nodig, en die is lastig te meten. De draaibeweging van een spiraalarm is zo langzaam dat je al gauw tientallen miljoenen jaren nodig hebt om überhaupt beweging te zien.

Zoveel tijd hebben astronomen niet, en daarom bedachten onderzoekers van de Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk een truc. In het spiraalvormige sterrenstelsel UGC 3825 – op een afstand van zo’n 400 miljoen lichtjaar – keken ze niet alleen naar de twee spiraalarmen, maar ook naar de ‘vers’ gevormde sterren van ‘slechts’ een paar tientallen miljoenen jaren oud. Die ontstaan op het moment dat gaswolken in het sterrenstelsel onder invloed van de zwaartekracht samentrekken en nieuwe sterren vormen. Jonge sterpopulaties zijn te onderscheiden van oudere omdat ze een net iets ander soort licht uitzenden, doorgaans iets blauwer.

Maar wat heeft dat met die spiraalarmen te maken? Mogelijk zorgt het ‘passeren’ van een spiraalarm ervoor dat de in het sterrenstelsel aanwezige gaswolken een zetje krijgen en instorten tot nieuwe sterren. Op de plekken waar nu veel jonge sterren zijn, zou de spiraalarm enkele tientallen miljoen jaren geleden gepasseerd zijn. Het bleek dat gebieden met veel jonge sterren in de buurt van spiraalarmen zitten, maar steeds net iets verschoven zijn, tot een hoek van ongeveer tien graden. In de loop van die tientallen miljoenen jaren lijken de armen maximaal tien graden verschoven.

Zo bepaalden de wetenschappers de snelheden op verschillende plekken in de arm. Het blijkt dat die snelheid in de hele arm min of meer hetzelfde is (afgezien van een lichte versnelling richting het midden van het sterrenstelsel). “Dit is wat de golftheorie voorspelt, en het betekent ook dat de armen weliswaar ronddraaien in het sterrenstelsel, maar over lange tijd hun vorm behouden. Ze worden dus niet ‘opgewonden’”, zegt Thomas Peterken, promovendus van de Universiteit in Nottingham die het onderzoek deed.