Door zich te richten op de meest massieve sterrenstelsels in ons universum, astronomen hebben onderzocht hoe hun sterren bewegen. De resultaten zijn verrassend:terwijl de helft van hen zoals verwacht rond hun korte as draait, de andere helft draait om hun lange as. Dergelijke kinematica zijn hoogstwaarschijnlijk het resultaat van een speciaal soort samensmelting van sterrenstelsels, waarbij reeds enorme, sterrenstelsels met vergelijkbare massa. Dit zou betekenen dat de groei van de meest massieve en de grootste sterrenstelsels wordt bepaald door deze zeldzame gebeurtenissen.

Onderzoek naar de uitersten van de melkwegpopulatie

Het meten van de manier waarop sterren binnen sterrenstelsels bewegen, is een zeer krachtige manier om meer te weten te komen over de interne structuur van sterrenstelsels, vooral eigenschappen zoals hun driedimensionale vorm en, uiteindelijk, hoe hun zwaartekrachtspotentieel is.

Om de grootste en meest massieve sterrenstelsels te bestuderen, een wetenschappelijk team onder leiding van Davor Krajnovic van het Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) selecteerde een monster van enkele van de helderste sterrenstelsels tot een afstand van 800 miljoen lichtjaar. Deze leven in grote ensembles van sterrenstelsels, in enkele van de dichtstbevolkte gebieden van ons heelal, zoals de Shapley Supercluster. Ze zijn ook erg helder en zeldzaam. De meest massieve sterrenstelsels zijn ongeveer honderd keer massiever dan ons eigen sterrenstelsel de Melkweg, die zelf al een stellaire massa van 60 miljard zonnen heeft. Ze hebben ook bijna geen gas, de meeste van hun sterren zijn erg oud (minstens 10 miljard jaar) en vormen geen sterren meer.

Helaas, deze sterrenstelsels zijn te ver van ons verwijderd om te worden opgelost in individuele sterren en hun bewegingen. Men kan alleen kijken naar de gemiddelde bewegingen van sterren binnen bepaalde regio's. "Dit is waar integraalveldspectrografen goed in zijn", legt Davor Krajnovic uit. "We hebben deze sterrenstelsels waargenomen met MUSE, de prachtige integraalveldspectrograaf van ESO's Very Large Telescope op Cerro Paranal in Chili. Massieve sterrenstelsels kunnen allerlei soorten kinematica hebben, sommigen draaien als frisbees, maar de meeste hebben geen specifieke draaizin. We hebben de meest massieve sterrenstelsels waargenomen en ontdekten dat ze anders waren dan andere sterrenstelsels."

Van schijven tot rugbyballen

De meeste sterrenstelsels met middelmatige massa vertonen zeer regelmatige stellaire bewegingen, zoals je zou verwachten van schijven zoals onze Melkweg. In zulke sterrenstelsels de draairichting is goed gedefinieerd rond de korte as van het object; het impulsmoment is uitgelijnd met de korte as van een afgeplatte sferoïde.

"We wisten dat slechts 15% van de sterrenstelsels met middelmatige massa een onregelmatige kinematica heeft of zelfs helemaal niet veel rotatie vertoont", zegt Krajnovic." Voor zulke sterrenstelsels, de draairichting is vaak niet uitgelijnd met een van de symmetrieassen van de melkweg, en deze sterrenstelsels hebben een bijna bolvorm, of langwerpig lijken op rugbyballen. Sommigen van hen hebben een interessante uitlijning en draaien rond de lange as van de melkweg. Hiervan waren slechts enkele gevallen bekend."

In deze nieuwe studie gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , de auteurs toonden aan dat deze galactische "spinnende rugbyballen" veel vaker voorkomen dan eerder werd gedacht als men kijkt naar de extreem massieve sterrenstelsels, het high-mass einde van de melkwegpopulatie.

Het resultaat is interessant omdat het wijst op een zeer specifiek vormingsscenario voor deze galactische reuzen. Numerieke simulaties geven aan dat rotatie langs de lange as indicatief is voor een samensmelting van twee massieve sterrenstelsels met vergelijkbare grootte (en massa) wanneer ze zich op speciale banen bevinden:een soort frontale botsing in de ruimte.

Dergelijke botsingen van sterrenstelsels zijn gewelddadige gebeurtenissen die de interne structuren van de voorloperstelsels volledig hervormen. De overgebleven sterrenstelsels lijken op draaiende rugbyballen. Stellaire banen worden ook veel complexer, wat resulteert in kinematica waarbij de eenvoudige geordende beweging wordt vervangen door complexe stroming rond een van de drie assen van een sferoïde. De meest massieve sterrenstelsels zijn de eindpunten van de vorming van sterrenstelsels, en terecht de meest complexe sterrenstelsels blijken te zijn. Deze studie helpt ons het mysterie te ontrafelen van hoe de meest massieve galactische systemen in het heelal zijn ontstaan.