Astronomen denken dat sterren zich vormen binnen instortende wolken van koud waterstofgas. Deze wolken zijn erg moeilijk te zien omdat de atmosfeer van de aarde veel van het licht absorbeert dat het uitstraalt; echter, een ander gas, koolmonoxide, is ook altijd aanwezig en kan gemakkelijk vanaf de aarde worden waargenomen. Astronomen van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie hebben een gedetailleerde kaart van deze stervormingsgebieden in het Andromedastelsel ontwikkeld.
Hoe ontstaan sterren? Dit is een van de belangrijkste vragen in de astronomie. We weten dat stervorming plaatsvindt in koude gaswolken met temperaturen onder -220 C (50 K). Alleen in deze gebieden met dicht gas kan gravitatie leiden tot instorting en dus tot stervorming. Koude gaswolken in sterrenstelsels bestaan bij voorkeur uit moleculaire waterstof, H2 (twee waterstofatomen gebonden als één molecuul). Dit molecuul zendt een zwakke spectraallijn uit in de infraroodbandbreedte van het spectrum die niet kan worden waargenomen door telescopen op aarde omdat de atmosfeer deze straling absorbeert. Astronomen bestuderen daarom een ander molecuul dat altijd in de buurt van H2 wordt gevonden, namelijk koolmonoxide, CO. De intense spectraallijn van CO bij een golflengte van 2,6 mm kan worden waargenomen met radiotelescopen die op atmosferisch gunstige plaatsen zijn geplaatst: hoog en droge bergen, in de woestijn of op de zuidpool. In de kosmische ruimte is koolmonoxide een indicator voor gunstige omstandigheden voor de vorming van nieuwe sterren en planeten.
In ons melkwegstelsel, de Melkweg, wordt al lange tijd onderzoek gedaan naar de verdeling van koolmonoxide. Astronomen vinden gedurende miljoenen jaren genoeg koud gas voor stervorming. Maar veel vragen blijven onbeantwoord; bijvoorbeeld hoe deze grondstof van moleculair gas in de eerste plaats tot stand komt. Wordt het geleverd door de vroege ontwikkelingsfase van de Melkweg, of kan het worden gevormd door warmer atoomgas? Kan een moleculaire wolk spontaan instorten of heeft hij een actie van buitenaf nodig om hem instabiel te maken en in te storten? Omdat de zon zich in de schijf van de Melkweg bevindt, is het erg moeilijk om een overzicht te krijgen van de processen die plaatsvinden in onze Melkweg. Van 'buiten' kijken zou helpen en dat geldt ook voor onze kosmische buren.
Het Andromeda-sterrenstelsel, ook bekend onder het catalogusnummer M31, is een systeem van miljarden sterren, vergelijkbaar met onze Melkweg. De afstand van M31 is 'slechts' 2,5 miljoen lichtjaar, waarmee het het dichtstbijzijnde spiraalstelsel is. Het sterrenstelsel strekt zich uit over zo'n 5 graden aan de hemel en kan met het blote oog worden gezien als een kleine diffuse wolk. Studies van deze kosmische buur kunnen helpen om processen in ons eigen sterrenstelsel te begrijpen. Helaas zien we de schijf van gas en sterren in M31 bijna aan de rand (zie figuur 1, rechts).
In 1995 werkte een team van radioastronomen aan het Institut de Radioastronomie Millimé trique (IRAM) in Grenoble (Michel Guélin, Hans Ungerechts, Robert Lucas) en aan het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Bonn (Christoph Nieten, Nikolaus Neininger, Elly Berkhuijsen, Rainer Beck, Richard Wielebinski) startten het ambitieuze project om de hele Andromeda-melkweg in kaart te brengen in de koolstofmonoxidespectraallijn. Het instrument dat voor dit project werd gebruikt, was de 30-meter radiotelescoop van IRAM, die zich op Pico Veleta (2970 meter) bij Granada in Spanje bevindt. Met een hoekresolutie van 23 boogseconden (bij de waarnemingsfrequentie van 115 GHz = golflengte van 2,6 mm) moesten 1,5 miljoen individuele posities worden gemeten. Om het waarnemingsproces te versnellen, werd een nieuwe meetmethode gebruikt. In plaats van op elke positie te observeren, werd de radiotelescoop in stroken door de melkweg aangedreven met continue registratie van de gegevens. Deze observatiemethode, ‘on the fly’ genoemd, is speciaal ontwikkeld voor het M31-project; het is nu de standaardpraktijk, niet alleen bij de Pico Veleta radiotelescoop maar ook bij andere telescopen die op millimetergolflengten waarnemen.
Voor elke waargenomen positie in M31 werd niet slechts één waarde van CO-intensiteit geregistreerd, maar 256 waarden tegelijkertijd over het spectrum met een bandbreedte van 0,2% van de centrale golflengte van 2,6 mm. De complete gegevensset voor observatie bestaat dus uit zo'n 400 miljoen getallen! De exacte positie van de CO-lijn in het spectrum geeft ons informatie over de snelheid van het koude gas. Als het gas naar ons toe beweegt, wordt de lijn verschoven naar kortere golflengten. Als de bron bij ons vandaan beweegt, zien we een verschuiving naar langere golflengten. Dit is hetzelfde effect (het Doppler-effect) dat we kunnen horen wanneer de sirene van een ambulance naar ons toe of van ons af beweegt. In de astronomie maakt het Doppler-effect het mogelijk de bewegingen van gaswolken te bestuderen; zelfs wolken met verschillende snelheden in dezelfde gezichtslijn kunnen worden onderscheiden. Als de spectraallijn breed is, kan de wolk zich uitbreiden of bestaat hij uit meerdere wolken met verschillende snelheden.
De waarnemingen zijn in 2001 afgerond. Met meer dan 800 uur telescooptijd is dit een van de grootste waarnemingsprojecten die met de telescopen van IRAM of MPIfR zijn uitgevoerd. Na uitgebreide verwerking en analyse van de enorme hoeveelheden gegevens is zojuist de volledige distributie van het koude gas in M31 gepubliceerd (zie figuur 1, links).
Het koude gas in M31 is geconcentreerd in zeer filigrane structuren in de spiraalarmen. De CO-lijn lijkt zeer geschikt om de spiraalarmstructuur te volgen. De kenmerkende spiraalarmen worden gezien op afstanden tussen 25.000 en 40.000 lichtjaar van het centrum van Andromeda, waar de meeste stervorming plaatsvindt. In de centrale regio's, waar de meeste oudere sterren zich bevinden, zijn de CO-armen veel zwakker. Als gevolg van de hoge helling van M31 ten opzichte van de gezichtslijn (ongeveer 78 graden) lijken de spiraalarmen een grote elliptische ring te vormen met een hoofdas van 2 graden. In feite werd Andromeda lange tijd ten onrechte beschouwd als een 'ringstelsel'.
De kaart van de gassnelheden (zie figuur 2) lijkt op een snapshot van een gigantisch vuurrad. Aan de ene kant (in het zuiden, links) beweegt het CO-gas met ongeveer 500 km / seconde naar ons toe (blauw), maar aan de andere kant (noord, rechts) met ‘slechts’ 100 km / seconde (rood). Aangezien het Andromeda-sterrenstelsel met een snelheid van ongeveer 300 km / seconde op ons afkomt, zal het over ongeveer 2 miljard jaar de Melkweg passeren. Bovendien draait de M31 met ongeveer 200 km / seconde rond zijn centrale as. Omdat de binnenste CO-wolken op een korter pad bewegen dan de buitenste wolken, kunnen ze elkaar inhalen. Dit leidt tot een spiraalstructuur.
De dichtheid van het koude moleculaire gas in de spiraalarmen is veel groter dan in de gebieden tussen de armen, terwijl het atomaire gas gelijkmatiger is verdeeld. Dit suggereert dat moleculair gas wordt gevormd uit het atomaire gas in de spiraalarmen, vooral in de smalle ring van stervorming. De oorsprong van deze ring is nog onduidelijk. Het kan zijn dat het gas in deze ring gewoon materiaal is dat nog niet voor sterren is gebruikt. Of misschien triggert het zeer regelmatige magnetische veld in M31 de stervorming in de spiraalarmen. Waarnemingen met de Effelsberg-telescoop lieten zien dat het magnetische veld de spiraalarmen in CO nauw volgt.
De ring van stervorming ('geboortegebied') in onze eigen Melkweg, die zich uitstrekt van 10.000 tot 20.000 lichtjaar vanaf het centrum, is kleiner dan in M31. Desondanks bevat het bijna 10 keer zoveel moleculair gas (zie tabel in bijlage). Omdat alle sterrenstelsels ongeveer even oud zijn, is de Melkweg zuiniger geweest met zijn grondstof. Aan de andere kant geven de vele oude sterren nabij het centrum van M31 aan dat in het verleden de stervormingssnelheid veel hoger was dan nu: hier is het meeste gas al verwerkt. De nieuwe CO-kaart laat zien dat Andromeda in het verleden zeer effectief was in het vormen van sterren. Over enkele miljarden jaren kan onze Melkweg er nu hetzelfde uitzien als Andromeda.
Oorspronkelijke bron: Max Planck Institute News Release
