Nieuwe ontdekkingen over de Melkweg zetten de wetenschap op zijn kop: ‘Het is crisis in ons vak’

Beeld van de Melkweg, gemaakt door ruimtetelescoop Gaia. Beeld AFP

Sterrenstelsels leken ongestoord door het heelal te zweven. Maar Amina Helmi ontdekte dat botsingen met andere stelsels een grote rol spelen. Dat zet de wetenschap op de kop. ‘Het is crisis in ons vak.’

Ze heeft een drukke week achter de rug. Juist in deze periode had ze een symposium georganiseerd om met vakgenoten te bespreken hoe hun vak ervoor stond. Een half jaar geleden gaf de Gaia-ruimtetelescoop een gedetailleerde kaart van de Melkweg prijs die een stortvloed aan publicaties opleverde. Daar had haar groep stevig aan bijgedragen.

Amina Helmi. Beeld Milette Raats

Juist deze week verscheen haar grote artikel in het vakblad Nature. Daarin liet ze zien dat de Melkweg zijn huidige vorm heeft gekregen na een ontmoeting met een ander sterrenstelsel, tien miljard jaar geleden. Terwijl ze druk was met haar symposium, werd ze door diverse media gevraagd om tekst en uitleg. Iedereen was gefascineerd door de samensmeltende stelsels.

De onderliggende boodschap raakte in dat mediafestijn wat ondergesneeuwd. “De Gaia-data hebben een revolutie veroorzaakt. We beseffen nu dat we nog niet veel wisten over de Melkweg. En vooral dat we aannames hebben gedaan die niet blijken te deugen. We dachten dat de Melkweg rustig om zijn as draait. Maar dat is niet zo. Onze methodes zijn niet meer van toepassing en we hebben nog geen nieuwe bedacht. Het is crisis!”

Amina Helmi zegt het met een schaterlach. Op deze maandag geniet ze zichtbaar na van het succes. De hoogleraar sterrenkunde van de Rijksuniversiteit Groningen is er trots op. En ze is trots op haar team. “Een paar van mijn promovendi en postdocs zijn supergemotiveerd aan de slag gegaan. Zonder hen was het niet gelukt de concurrentie te verslaan. Daar zaten gerenommeerde groepen bij. Mijn groep staat bekend als een van de trekkers van dit vakgebied, dat de galactische archeologie wordt genoemd. In alle bescheidenheid: daar ben ik een soort founding mother van.”

De geboren Argentijnse weet al vroeg dat ze sterrenkunde wil studeren en daarvoor naar het buitenland wil. Nederland ligt voor de hand. “Mijn moeder is Nederlandse. Omdat ik de taal begreep en hier familie had, dacht ik dat Nederland voor mij haalbaar was. Bovendien had Nederland een grote naam in de sterrenkunde, het staat wereldwijd in de topdrie, en ik wist dat dit land er een lange traditie in heeft. Veel fenomenen zijn naar Nederlanders vernoemd. De Oort-wolk, de Kuipergordel –namen die Argentijnen niet kunnen uitspreken.”

Toch verloopt de overgang naar Nederland niet eenvoudig. In die tijd, tweede helft jaren negentig, zijn buitenlandse promovendi nog niet zo gewoon en de aanbevelingsbrieven die haar Argentijnse hoogleraren schreven, missen hun doel. “Niemand hier kende hen.”

Ze neemt het heft in handen. Ze bezoekt congressen, volgt zomercursussen, schrijft vakgroepen aan en verwerft uiteindelijk een positie in Leiden. “Daar ben ik gevormd, daar reikten ze mij het onderwerp van m’n proefschrift aan. ‘Leg een verband tussen de Melkweg en de kosmologie’, zeiden ze. In die tijd dachten mensen die de Melkweg bestudeerden in termen van sterren. Zoiets als de oerknal speelde geen rol. Een sterrenstelsel als de Melkweg zagen zij als een eiland in het heelal, een systeem zonder invloeden van buitenaf, dat in zijn eentje was gevormd.”

Eerste ontdekking

Het is uiteindelijk Simon White, de directeur van het Max Planck Instituut in München die haar onderzoeksvraag formuleert. Zoek uit of de kosmologische modellen de vorming van de Melkweg voorspellen, zegt hij. “Dat leidde tot mijn eerste ontdekking. In die tijd waren de ideeën over het ontstaan van sterrenstelsels niet zo duidelijk. Kleine stelsels kunnen door samensmelting uitgroeien tot grotere. En binnen een stelsel ontstaan nieuwe sterren als gaswolken samenklonteren. Het idee was dat het eerste proces, de samensmelting, geen grote rol speelde. De bekende stelsels leken immers superrustig.”

Ze gaat op zoek naar sporen van eerdere samensmeltingen en maakt daarvoor gebruik van het databestand van de Europese Hipparcos-satelliet. Die bracht tussen 1989 en 1993 de positie en beweging van 120.000 sterren nabij de zon in kaart. Ze vindt twee groepjes met een afwijkende beweging. “Die groepjes bleken de restanten van een klein stelsel dat is opgeslorpt en uiteengevallen. Ook zagen we aan het lage ijzergehalte dat het zeer oude sterren waren. Ouder dan de meeste sterren in de Melkweg, uit de begintijd van het heelal. Het waren de eerste fossielen in de Melkweg.”

De ontdekking van deze groep sterren, die tegenwoordig de Helmi-stroom wordt genoemd, wakkert de zoektocht naar opgeslokte sterrenstelsels aan. Tegelijk is duidelijk dat de missie van Hipparcos te klein was voor grote vragen. “Dit was het maximale dat we eruit konden halen. Als de vraag was ‘hoe is de Melkweg ontstaan’, moest je veel meer sterren meten, en niet alleen hun beweging aan de hemel, maar ook de relatieve beweging. Hoe snel bewegen ze zich van ons vandaan of komen ze op ons af? Die vragen zou Gaia moeten beantwoorden, en met het ontwerp van de satelliet waren we toen, in 2000, al bezig.”

De nieuwe telescoop wordt in 2013 gelanceerd en levert in 2016 zijn eerste data af. Dit voorjaar was de tweede release. Ging het bij Hipparcos om honderdduizend sterren, Gaia brengt meer dan een miljard sterren in kaart, waarvan bij zeven miljoen ook de relatieve beweging, met een ongekende precisie. “Gaia kan op een afstand van duizend kilometer de doorsnee van een menselijke haar meten.”

Op 25 april 2018 geeft Gaia haar tweede pakket aan data vrij. In één klap. “Zo had de Europese ruimtevaartorganisatie het afgesproken. Ze moesten voor iedereen toegankelijk zijn. Het was meteen een gekkenhuis, moordende concurrentie. Al op dag één verschenen tien of twaalf artikelen over de Gaia-catalogus en inmiddels zijn het er honderden. Nog steeds komen er elke dag een paar bij.”

Consortium

“Het is topsport. Je moet in de startblokken staan. Anders is iemand je voor en doet jouw publicatie er niet meer toe. Dat klinkt eerlijk, maar dat is het niet helemaal. Wij zaten in een consortium van vijfhonderd astronomen die vóór de vrijgave de kwaliteit van de data hadden gecontroleerd. Ieder een deel van die data. Welke kun je vertrouwen, waar moet je voorzichtig mee zijn? Op die 25ste april waren wij supermoe. En toen moest het echte werk nog beginnen. Ik hoop dit niet nog een keer mee te maken. Normaal is dat zo’n consortium een jaar of zo het alleenrecht op de data heeft.”

Het voorbereidende werk was ook een voordeel, erkent ze. “We waren vertrouwd met de data. Tijdens de kwaliteitscontrole konden we er wetenschappelijk gezien niets mee – dat was afgeschermd. Maar we leerden er wel mee werken. We hadden er ook software voor ontwikkeld. Dat was nuttig, je analyseert niet zomaar de data van een miljard sterren.”

Ook haar eerdere onderzoek naar samensmeltende stelsels betaalt zich uit. Haar team ontwikkelde modellen voor het ontstaan van de Melkweg, computersimulaties. “We zaten klaar om in de data te springen, wisten welke nauwkeurigheid nodig was en waar we naar op zoek moesten om bepaalde vragen te beantwoorden. Het was een goede investering.”

Al snel levert ze met haar team een eerste publicatie af waarin ze laat zien dat vijfhonderd miljoen jaar geleden een klein sterrenstelsel op de Melkweg is gestuit. Sommige sterren trillen nu nog na van die kosmische botsing.

Een week geleden volgt de grote klapper. Ze meldt in Nature dat de jonge Melkweg zijn vorm kreeg door de samensmelting met een kleiner stelsel, tien miljard jaar geleden. Ze noemt het kleine stelsel Gaia-Encelados. Volgens de Griekse mythologie was Encelados de zoon van Gaia, moeder aarde. Het stelseltje heeft de Melkweg destijds flink opgeschud en de restanten ervan cirkelen nu in de halo, de wolk rond de dikke schijf van de Melkweg.

“Alle sterren in de halo bleken ouder dan de meeste sterren in de Melkweg en stamden uit een en hetzelfde stelsel, Gaia-Encelados. Dat was een enorme verrassing. We hadden verwacht dat bij de omvorming drie of vijf stelsels betrokken waren, niet één. Ik weet nog goed hoe het ging. De vrijgave van de data was op een woensdag en de zondag erop – het was regenachtig – zat ik met een promovendus te puzzelen. En toen tekende hij een figuur waarvan ik dacht: die ken ik! Tien jaar terug had een andere promovendus van mij een computersimulatie gemaakt die precies dezelfde figuur gaf. Dat hielp enorm.”

Fossielen

De ontdekking is een mijlpaal voor de galactische archeologie. “Sommige sterren in de halo zijn bijna zo oud als het heelal zelf. Normaal moet je voor zulke sterren heel ver weg kijken, heel diep in het heelal. Maar dan zie je nooit zulke details als bij deze. Het zijn fossielen in onze eigen achtertuin.”

Gaia heeft een raamwerk geboden voor het ontstaan van de Melkweg, zegt ze. Tegelijk levert dat nieuwe vragen op. “Omdat we dachten dat de Melkweg een rustig draaiend stelsel was, dachten we ook dat we uit de bewegingen de krachten konden afleiden. En daaruit weer de massaverdeling. Maar er zijn meer krachten in het spel, van die botsingen. Die moeten we uit elkaar halen en we weten nog niet hoe dat moet. We weten niet welk deel van de bewegingen door de massaverdeling komt en welk door botsingen.”

Dat kan grote gevolgen hebben. Uit de oude modellen volgt dat er meer massa moet zijn dan zichtbaar is. Er zou vijf keer zoveel donkere materie zijn als wat we aan sterren en gaswolken zien. “Tot nu toe is nog nooit donkere materie gedetecteerd. Maar misschien klopt de schatting niet, is er minder donkere materie en moeten we de gevoeligheid van de detectoren bijstellen. Niemand die het weet. Sinds de vrijgave van de data heeft nog niemand een poging gewaagd er een artikel over te schrijven. Dat zegt veel over de huidige onzekerheid.”

Misschien zijn er nog meer data nodig. In 2020 staat de derde vrijgave van Gaia op het programma. Met nog meer sterren en een nog grotere nauwkeurigheid. Ze kan niet wachten.

Lees ook:

Donkere materie is zeker aanwezig in het heelal, maar niet overal

Sterrenkundigen breken zich al decennia het hoofd over de donkere materie. Geen idee wat die materie is, maar ze móet er zijn. Ze werden in april echter verrast door de waarneming van een sterrenstelsel dat géén donkere materie bevat. Gaat het hele idee van die donkere materie nu alsnog van tafel?

Komt een mens ooit twee keer op exact dezelfde plek in het heelal?

Als aarde draaien we om onze as en die aarde draait ook nog eens om de zon. Het is vandaag dus onmogelijk om - in het hele heelal - op precies dezelfde plek te zijn als gisteren. Lukt het een mens om in een gemiddeld leven twee keer op exact dezelfde plek te komen?

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden