gov-civil-vilareal.ptBattle of the bulges: hebben astronomen het al die tijd bij het verkeerde eind gehad over spiraalstelsels?
>Groot nieuws van Galaxy Zoo : Het lijkt erg op een klassiek classificatieschema voor sterrenstelsels - voor het eerst bedacht door Edwin Hubble zelf! - kan, eh, verkeerd zijn. De gevolgen hiervan zijn even dramatisch als kosmisch: het impliceert heel sterk dat de manier waarop we hebben nagedacht over hoe sterrenstelsels spiraalarmen vormen en onderhouden, ook verkeerd is. In plaats van semi-permanente kenmerken van sterrenstelsels te zijn, kunnen ze in plaats daarvan zichzelf opwinden, verdwijnen en weer hervormen!
Wauw. Dit is een heel groot probleem.
Classificatie is een natuurlijke eerste stap wanneer je een verzameling objecten hebt en je probeert ze te achterhalen. Als je ze op de een of andere manier kunt sorteren, kun je er inzicht in krijgen. Toen astronomen aan het eind van de 19e en het begin van de 20e eeuw begonnen met het monteren van camera's op grote telescopen, ontdekten ze dat sterrenstelsels - die voor het grootste deel op kleine vage vlekken lijken - een verbluffende verscheidenheid aan vormen hebben. Maar ze vielen in vier brede categorieën : elliptisch, spiraalvormig, onregelmatig en eigenaardig.
Spiraalstelsels (die met spiraalarmen) hadden twee hoofdcomponenten: de armen zelf en een centrale uitstulping van sterren waaruit de armen leken voort te komen. Bovendien bleek er een spectrum van vormen van deze sterrenstelsels te zijn, van kleine uitstulpingen tot grote. Sterrenstelsels met grote centrale uitstulpingen hadden strak gewikkelde spiraalarmen, terwijl sterrenstelsels met kleinere uitstulpingen meer open armen hadden. Hubble en zijn team classificeerden ze ook op deze manier, met de eerste genaamd Sa en de laatste Sc-sterrenstelsels, met Sb-sterrenstelsels tussen de twee. Ook hadden Sa-sterrenstelsels doorgaans goed gevormde doorlopende armen, en Sc-sterrenstelsels klonterige, minder goed gedefinieerde armen.
Er was ook een derde structuur, een balk genaamd, die eruitziet als een rechthoekig of ruitvormig kenmerk in het midden van de melkweg. Dit worden balkspiralen genoemd en ze leken verder dezelfde structuur te hebben als gewone spiralen, dus werden ze Sba tot Sbc genoemd.
Het Hubble Tuning Fork-diagram classificeert sterrenstelsels op basis van vorm en structuur. Spiraalstelsels gaan van grote uitstulpingen en strakke armen naar kleine uitstulpingen met wijd gespreide armen (met een parallelle rij voor balkspiralen). Maar nieuw werk laat zien dat dit diagram mogelijk verouderd is. Credit: Karen Masters, Sloan Digital Sky Survey
Het Hubble Tuning Fork-diagram classificeert sterrenstelsels op basis van vorm en structuur. Spiraalstelsels gaan van grote uitstulpingen en strakke armen naar kleine uitstulpingen met wijd gespreide armen (met een parallelle rij voor balkspiralen). Maar nieuw werk laat zien dat dit diagram mogelijk verouderd is. Credit: Karen Masters, Sloan Digital Sky Survey
Hubble creëerde wat het stemvorkdiagram werd genoemd om dit alles te beschrijven. Aan de ene kant waren elliptische sterrenstelsels, die varieerden van cirkelvormig (E0 genoemd) tot meer uitgerekt (tot E7). Die werden de steel van de vork, met de twee tanden de spiralen van Sa tot Sc aan de ene en de balkspiralen aan de andere.
Er zijn andere manieren geweest om dit te doen, maar de stemvork van Hubble is al een eeuw min of meer de standaard. Het heeft goed werk geleverd, maar er zijn enkele sterrenstelsels geweest die niet in het patroon passen. De ene heeft bijvoorbeeld een kleine uitstulping maar strakke armen, of een andere met een grote uitstulping en tamelijk open armen. Als er een melkwegstelsel is dat niet helemaal past, gebruikten astronomen meestal de armstructuur om het in het diagram te plaatsen.
Nu echter, nieuwe waarnemingen hebben met dit alles een aap in de tang gegooid . Die sterrenstelsels zijn geen uitzondering. Zij zijn de regel.
NGC 1398, een balkspiraalstelsel dat simpelweg prachtig is. Credit: DAT
NGC 1398, een balkspiraalstelsel dat simpelweg prachtig is. Credit: DAT
Dit komt van Galaxy Zoo , een 'citizen science'-project waarmee het publiek eenvoudige analyses van echte gegevens kan maken. Moderne onderzoeken van de lucht leveren bijvoorbeeld zoveel gegevens op dat het onmogelijk is voor slechts een paar astronomen om te gaan zitten en er doorheen te spitten. Het blijkt echter dat niet-astronomen behoorlijk betrouwbaar werk kunnen doen bij bepaalde analysetaken, zoals bijvoorbeeld kijken naar een afbeelding van een spiraalstelsel en bepalen of de armen strak gewonden of meer open zijn. Studies hebben aangetoond dat als genoeg mensen de gegevens doornemen, de resultaten over het algemeen vrij nauwkeurig zijn (wanneer ze worden gecontroleerd door professionals). Het werk is eigenlijk leuk en omvat alleen een eenvoudige webinterface.
In dit geval presenteerde Galaxy Zoo mensen gegevens uit de Sloan Digital Sky Survey. Meer dan 250.000 grote, heldere sterrenstelsels werden bekeken door 160.000 mensen, die duidelijke vragen over hen beantwoordden. Zelfs de eenvoudigste resultaten zijn belangrijk; ze ontdekten bijvoorbeeld dat 92% van de geclassificeerde sterrenstelsels spiraalvormig of elliptisch is, terwijl de resterende 8% onregelmatig of eigenaardig is. Dat zegt meteen iets over grote, heldere sterrenstelsels!
Maar het zijn de follow-ups waar het interessant werd. Toen een subset van spiraalstelsels (die kenmerken hadden die gemakkelijker te identificeren waren) werd geclassificeerd op basis van hun uitstulping en winderigheid van de spiraalarmen (wat astronomen de hellingshoek ), vonden ze bijna geen verband tussen de twee!
Er is een zwakke correlatie in het feit dat sterrenstelsels met grote uitstulpingen de voorkeur geven aan strakker gewonden armen, maar dat was geenszins de regel. En sterrenstelsels met kleinere uitstulpingen bleken armen over het hele spectrum te hebben, van strak gewonden tot verafgelegen.
Dit druist in tegen het Hubble-stemvorkdiagram. En het wordt beter: ze ontdekten ook dat sterrenstelsels met staven meer open armen hebben. Dit vertelt ons iets belangrijks over hoe spiraalstelsels zich in de loop van de tijd vormen en evolueren. Maar wat?
Het spectaculaire spiraalstelsel M61, waargenomen door de 8,2-meter Very Large Telescope. Credit: DAT
Het spectaculaire spiraalstelsel M61, waargenomen door de 8,2-meter Very Large Telescope. Credit: DAT
Je zou kunnen denken dat er zich spiraalarmen vormen omdat sterren als gevolg van de zwaartekracht dichter bij het centrum van de melkweg draaien dan sterren die verder weg staan, dus er ontstaat vanzelf een spiraalpatroon. Maar hier is een probleem mee: na verloop van tijd zou dit de armen doen opwinden en de structuur vernietigen. De gedachte was dat we zoveel sterrenstelsels met armen zien dat dit niet de manier kan zijn waarop dingen werken.
Dus astronomen kwamen op een idee de dichtheidsgolfhypothese genoemd. Spiraalarmen zijn volgens deze meer als verkeersopstoppingen van sterren en gas in een melkwegstelsel. Een file op een weg kan lang aanhouden, ook al rijden er individuele auto's in en uit. Men dacht dat spiraalarmen het kosmische equivalent waren, waar spiraalvormige dichtheidsgolven worden gevormd als gevolg van de gecompliceerde fysica van de zwaartekracht van een galactische schijf. Sterren bewegen erin en eruit, maar de golf zelf houdt aan. Op deze manier raken de armen na verloop van tijd niet in de war.
Dit is het basisparadigma dat astronomen gebruiken, en er zijn talloze artikelen over gepubliceerd … maar deze nieuwe resultaten laten zien dat dit misschien niet correct is. Dit dichtheidsgolfidee is gebaseerd op het stemvorkdiagram, waar armen en uitstulpingen sterk gerelateerd zijn; de fysica van de dichtheidsgolf verbindt de spiraalarmen op een bepaalde manier met de grootte van de uitstulping. Maar de bevindingen van Galaxy Zoo laten zien dat er iets anders aan de hand is, omdat de armen in het algemeen niet al te veel om de uitstulping lijken te geven.
2222 engel betekenis
Wat de astronomen die verantwoordelijk zijn voor het project stellen, is dat spiralen armen worden gevormd als gevolg van een soort verstoring in de melkwegschijf (vergelijkbaar met hoe de dichtheidsgolfhypothese ook zegt dat ze zich vormen), maar het patroon is niet noodzakelijk persistent. In plaats daarvan kunnen de armen opwinden en na verloop van tijd strakker worden. Op een gegeven moment wordt het patroon vernietigd, de armen verdwijnen en dan begint het proces helemaal opnieuw.
Dit zou het gedrag verklaren dat ze in de gegevens zien. Hoewel ze hier niet in duiken, veronderstellen ze ook dat een centrale balk dit proces op de een of andere manier vertraagt, aangezien versperde sterrenstelsels over het algemeen meer open armen hebben. Het verband daar is echter nog niet begrepen.
Dus hoe heeft Hubble dit allemaal gemist? Simpel: hij en zijn team hadden een zeer beperkt aantal sterrenstelsels om naar te kijken. Ze hadden gewoon niet genoeg monsters om sterke conclusies te trekken. Moderne onderzoeken bevatten duizenden of zelfs miljoenen sterrenstelsels, waardoor een veel betere statistische analyse mogelijk is.
Het is grappig voor mij; we gebruiken het diagram van Hubble al tientallen jaren, en de reden dat dit voor die tijd is gemist, is, ironisch genoeg, zoveel gegevens! Het kostte Galaxy Zoo en zijn enorme menigte deelnemers om die gegevens te doorzoeken en kleine bedragen aan elke persoon toe te wijzen. Zelfs computers doen het niet perfect, omdat ze de neiging hebben om te worden geprogrammeerd met onze eigen vooropgezette opvattingen over classificatie. Burgerwetenschappers werken niet onder die last, en zijn vrij om nieuwe dingen te ontdekken.
Let wel, dit is slechts de eerste stap in een nieuwe richting. Het idee dat spiraalarmen opwinden, bestaat al een tijdje in de astronomische gemeenschap en wint aan populariteit, maar dit is een flinke boost ervoor. Nu moeten de profs binnenkomen en de fysica uitwerken, en de waarnemingen uitleggen op manieren die ze nog niet eerder hadden gedaan.
Dat is spannend. Welke nieuwe dingen zullen ze ontdekken, processen die nog niet waren overwogen en die werken op schalen van tien- en honderdduizenden lichtjaren?
Zoals de auteurs aangeven, zijn er, zelfs na meer dan een eeuw van studie van spiraalarmen in sterrenstelsels, nog steeds fundamentele dingen die we niet begrijpen. Hopelijk is dit een grote stap om dat op te lossen.
