Galaxies – die enorme verzamelingen sterren die ons heelal bevolken – zijn overal te vinden. Maar hoeveel sterrenstelsels zijn er in het heelal? Ze tellen lijkt een onmogelijke opgave. Het aantal is één probleem – als de teller eenmaal in de miljarden loopt, duurt het een tijdje om ze bij elkaar op te tellen. Een ander probleem is de beperking van onze instrumenten. Om het beste beeld te krijgen, moet een telescoop een grote opening hebben (de diameter van de hoofdspiegel of lens) en boven de atmosfeer staan om vervorming door de aardse lucht te voorkomen.
Het meest sprekende voorbeeld van dit feit is misschien wel het Hubble eXtreme Deep Field (XDF), een beeld dat is gemaakt door tien jaar foto’s van de Hubble-ruimtetelescoop samen te voegen. De telescoop bekeek een klein stukje hemel in herhaalde bezoeken gedurende in totaal 50 dagen, aldus de NASA. Als je je duim op armlengte zou houden om de maan te bedekken, zou het XDF-gebied ongeveer zo groot zijn als de kop van een speld. Door gedurende vele uren van observatie zwak licht te verzamelen, onthulde de XDF duizenden sterrenstelsels, zowel dichtbij als heel ver weg, waardoor het op dat moment de diepste afbeelding van het heelal was die ooit is gemaakt. Dus als die ene kleine vlek er duizenden bevat, stel je dan eens voor hoeveel meer sterrenstelsels er in andere vlekken zouden kunnen worden gevonden.
Hoewel de schattingen onder verschillende deskundigen uiteenlopen, is een aanvaardbaar bereik tussen 100 miljard en 200 miljard sterrenstelsels, zei Mario Livio, een astrofysicus aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Wanneer de James Webb-ruimtetelescoop in 2020 wordt gelanceerd, zal het observatorium naar verwachting nog meer informatie onthullen over vroege sterrenstelsels in het universum.
Ga diep
Voor zover Livio weet, is Hubble het beste instrument dat beschikbaar is voor het tellen en schatten van sterrenstelsels. De telescoop, die in 1990 werd gelanceerd, had aanvankelijk een vervorming op de hoofdspiegel die tijdens een shuttlebezoek in 1993 werd gecorrigeerd. De Hubble-telescoop onderging ook verschillende upgrades en servicebezoeken tot de laatste shuttlemissie in mei 2009.
In 1995 richtten astronomen de telescoop op wat een leeg gebied van Ursa Major leek te zijn, en verzamelden 10 dagen aan waarnemingen. Het resultaat was naar schatting 3.000 zwakke sterrenstelsels in één enkel beeld, tot op de 30e magnitude. (Ter vergelijking: de Poolster staat op ongeveer de 2e magnitude.) Deze beeldcompositie werd het Hubble Deep Field genoemd en was het verste dat iemand in die tijd in het heelal had gezien.
Toen de instrumenten van de Hubble-telescoop werden verbeterd, hebben astronomen het experiment twee keer herhaald. In 2003 en 2004 creëerden wetenschappers het Hubble Ultra Deep Field, dat in een belichting van een miljoen seconden ongeveer 10.000 sterrenstelsels onthulde in een kleine vlek in het sterrenbeeld Fornax.
In 2012, opnieuw met behulp van verbeterde instrumenten, gebruikten wetenschappers de telescoop om naar een deel van het Ultra Deep Field te kijken. Zelfs in dit kleinere gezichtsveld konden de astronomen ongeveer 5.500 sterrenstelsels ontdekken. Onderzoekers noemden dit het eXtreme Deep Field.
Al met al onthult Hubble naar schatting zo’n 100 miljard sterrenstelsels in het heelal, maar dit aantal zal waarschijnlijk toenemen tot zo’n 200 miljard naarmate de telescooptechnologie in de ruimte verbetert, vertelde Livio aan Space.com.
Het tellen van sterren
Wat voor instrument er ook wordt gebruikt, de methode om het aantal sterrenstelsels te schatten is hetzelfde. Je neemt het deel van de hemel dat door de telescoop (in dit geval, de Hubble) in beeld is gebracht. Vervolgens kun je aan de hand van de verhouding tussen het stukje hemel en het hele heelal het aantal sterrenstelsels in het heelal bepalen.
“Hierbij gaan we ervan uit dat er geen grote kosmische variantie is, dat het heelal homogeen is,” zei Livio. “We hebben goede redenen om aan te nemen dat dat het geval is. Dat is het kosmologisch principe.”
Het principe gaat terug op de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Einstein zei dat zwaartekracht een vervorming van ruimte en tijd is. Met dat begrip in de hand probeerden verschillende wetenschappers (waaronder Einstein) te begrijpen hoe de zwaartekracht het hele universum beïnvloedde.
“De eenvoudigste aanname die je kunt maken is dat als je de inhoud van het universum met voldoende slecht zicht zou bekijken, het overal en in elke richting ongeveer hetzelfde zou lijken,” verklaarde NASA. “Dat wil zeggen dat de materie in het heelal homogeen en isotroop is wanneer het gemiddelde over zeer grote schalen wordt genomen. Dit wordt het kosmologisch principe genoemd.”
Een voorbeeld van het kosmologisch principe aan het werk is de kosmische microgolf-achtergrond, straling die een overblijfsel is van de vroege stadia van het heelal na de oerknal. Met behulp van instrumenten zoals de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe van de NASA hebben astronomen ontdekt dat de CMB vrijwel identiek is, waar men ook kijkt.
Zou het aantal sterrenstelsels met de tijd veranderen?
Metingen van de uitdijing van het heelal – door te kijken naar sterrenstelsels die van ons wegrazen – laten zien dat het ongeveer 13,82 miljard jaar oud is. Naarmate het heelal ouder en groter wordt, zullen sterrenstelsels zich echter steeds verder van de aarde verwijderen. Hierdoor zullen ze moeilijker te zien zijn in telescopen.
Het heelal dijt sneller uit dan de lichtsnelheid (wat niet in strijd is met Einsteins snelheidslimiet omdat de uitdijing van het heelal zelf is, en niet van objecten die door het heelal reizen). Ook versnelt het heelal in zijn uitdijing.
Daar komt het concept van het “waarneembare heelal” – het heelal dat wij kunnen zien – om de hoek kijken. Over 1 triljoen tot 2 triljoen jaar, zei Livio, betekent dit dat er sterrenstelsels zullen zijn die verder zijn dan wat we vanaf de aarde kunnen zien.
“We kunnen alleen licht zien van sterrenstelsels waarvan het licht genoeg tijd heeft gehad om ons te bereiken,” zei Livio. “Dat wil niet zeggen dat dat alles is wat er in het heelal is. Vandaar de definitie van het waarneembare heelal.”
Galaxies veranderen ook in de loop van de tijd. De Melkweg ligt op ramkoers met het nabijgelegen Andromedastelsel, en beide zullen over ongeveer 4 miljard jaar samensmelten. Later zullen andere melkwegstelsels in onze Lokale Groep – de melkwegstelsels die het dichtst bij ons staan – uiteindelijk samensmelten. Bewoners van dat toekomstige sterrenstelsel zouden een veel donkerder universum te observeren hebben, zei Livio.
“Beschavingen die dan begonnen, ze zouden geen bewijs hebben dat er een universum was met 100 miljard sterrenstelsels,” zei hij. “Ze zouden de uitdijing niet zien. Ze zouden waarschijnlijk niet kunnen zeggen dat er een Big Bang was.”
En hoe zit het met andere universa?
Toen het vroege universum werd opgeblazen, zijn er theorieën die zeggen dat verschillende ‘pockets’ afbraken en verschillende universa vormden. Deze verschillende plaatsen zouden met verschillende snelheden kunnen uitdijen, andere soorten materie kunnen bevatten en andere natuurkundige wetten kunnen hebben dan ons eigen universum.
Livio wees erop dat er in deze andere universa sterrenstelsels zouden kunnen zijn – als ze bestaan – maar dat we dat op dit moment niet met zekerheid kunnen weten. Dus het aantal sterrenstelsels zou zelfs groter kunnen zijn dan 200 miljard, als we andere universa in aanmerking nemen.
In onze eigen kosmos, zei Livio, zullen astronomen beter in staat zijn om het aantal te verfijnen na de lancering van de James Webb Space Telescope (waarvoor zijn instituut de missieoperaties en de wetenschap zal beheren). Hubble kan terugblikken op sterrenstelsels die ongeveer 450 miljoen jaar na de oerknal zijn ontstaan. Na de lancering van James Webb in 2020 verwachten astronomen dat ze tot 200 miljoen jaar na de oerknal terug kunnen kijken.
“De getallen zullen niet veel veranderen,” voegde Livio eraan toe, erop wijzend dat de eerste sterrenstelsels waarschijnlijk niet al te lang daarvoor zijn gevormd. “Dus een getal als 200 miljard is het waarschijnlijk voor ons waarneembare heelal.”
Webb’s bijdragen
Hoewel het interessant is om het aantal sterrenstelsels in ons heelal te tellen, zijn astronomen meer geïnteresseerd in hoe sterrenstelsels onthullen hoe het heelal werd gevormd. Volgens de NASA laten sterrenstelsels zien hoe de materie in het heelal is georganiseerd – althans, op grote schaal. (Wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in soorten deeltjes en kwantummechanica, aan de kleine kant van het spectrum). Omdat Webb terug kan kijken naar de begintijd van het heelal, zal zijn informatie wetenschappers helpen de structuren van de sterrenstelsels om ons heen vandaag beter te begrijpen.
“Door enkele van de vroegste sterrenstelsels te bestuderen en ze te vergelijken met de sterrenstelsels van vandaag, kunnen we misschien hun groei en evolutie begrijpen. Webb zal wetenschappers ook in staat stellen gegevens te verzamelen over de soorten sterren die in deze zeer vroege sterrenstelsels bestonden”, aldus NASA over de missie van Webb. “Vervolgwaarnemingen met spectroscopie van honderden of duizenden sterrenstelsels zullen onderzoekers helpen begrijpen hoe elementen zwaarder dan waterstof werden gevormd en opgebouwd naarmate de vorming van sterrenstelsels door de eeuwen heen vorderde. Deze studies zullen ook details onthullen over fuserende sterrenstelsels en licht werpen op het proces van de vorming van sterrenstelsels zelf.”
Volgens NASA zijn dit enkele van de belangrijkste vragen die Webb zal beantwoorden over sterrenstelsels:
- Hoe worden sterrenstelsels gevormd?
- Waardoor krijgen ze hun vorm?
- Hoe zijn de chemische elementen over de sterrenstelsels verdeeld?
- Hoe beïnvloeden de centrale zwarte gaten in sterrenstelsels de gaststelsels?
- Wat gebeurt er als kleine en grote sterrenstelsels botsen of samenkomen?
Wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in de rol die donkere materie speelt bij de assemblage van sterrenstelsels. Terwijl een deel van het heelal zichtbaar is in vormen zoals sterrenstelsels of sterren, bestaat het grootste deel van het heelal uit donkere materie – ongeveer 80 procent ervan. Hoewel donkere materie onzichtbaar is in golflengten van licht of door de uitstoot van energie, wezen studies van sterrenstelsels die dateren uit de jaren 1950 erop dat er veel meer massa in aanwezig was dan wat zichtbaar was met het blote oog.
“Computermodellen die wetenschappers hebben gemaakt om de vorming van sterrenstelsels te begrijpen, geven aan dat sterrenstelsels ontstaan wanneer donkere materie samensmelt en samenklontert,” zei NASA. “Je kunt het zien als de steiger van het heelal. De zichtbare materie die we zien verzamelt zich binnen deze steiger in de vorm van sterren en sterrenstelsels. De manier waarop donkere materie ‘samenklontert’ is dat kleine objecten zich eerst vormen, en worden samengetrokken om grotere te vormen.”
Webb’s krachtige spiegels zullen wetenschappers in staat stellen om de vorming van sterrenstelsels – inclusief de rol van donkere materie – van dichtbij te bekijken. Hoewel dit onderzoek niet direct antwoord geeft op de vraag hoeveel sterrenstelsels er in het heelal zijn, helpt het wetenschappers wel om de processen achter de sterrenstelsels die we zien beter te begrijpen, wat op zijn beurt weer betere informatie oplevert voor modellen over galactische populaties.