‘Iedereen is fan’ van de Europese sonde die de subtiele structuren van de Melkweg heeft blootgelegd

Nederland, Europa, Aarde, Zonnestelsel, Melkweg, Heelal – zo heb je vroeger misschien je adres weleens op een envelop geschreven. De Melkweg is onze kosmische thuishaven: een spiraalstelsel van honderden miljarden sterren, met een dichte kern als de dooier van een spiegelei. Ons zonnestelsel ligt in het ‘eiwit’, halverwege de rand. Van bovenaf zullen we die spiraal nooit zien. Voor ons verschijnt hij als een melkachtige band aan de hemel, zichtbaar op een heldere nacht, vooral op de donkerste plekken in Nederland, zoals de Dark Sky Parks in Lauwersoog en op Terschelling.

Wat oogt als een vage veeg langs de nachtelijke hemel is in werkelijkheid een zee van sterren. Met het blote oog lijken ze stil te staan, zelfs door een telescoop. Maar wie hun posities jarenlang heel precies volgt, ontdekt dat ze langzaam verschuiven. Dat soort metingen vraagt een nauwkeurigheid die vanaf de aarde onmogelijk is. Daarom werd in 2013 Gaia gelanceerd: een Europese satelliet die de Melkweg in ongekende scherpte in kaart bracht, tot zijn ‘pensionering’ begin dit jaar.

„Iedereen is fan van Gaia”, zegt Amina Helmi, hoogleraar sterrenkunde in Groningen. „Vrijwel iedere sterrenkundige gebruikt de data. Het is misschien wel de meest succesvolle en impactvolle ESA-missie van de afgelopen jaren, juist door de enorme breedte van de resultaten. Ik kom steeds nieuwe mensen tegen uit verschillende vakgebieden die erover beginnen – dan denk ik: jij ook?”

Gaia observeerde miljarden sterren, registreerde hun hemelpositie en kleur, en volgde hun bewegingen door de tijd. Zo ontstond een dynamisch portret van de Melkweg – een moderne tegenhanger van de astrolabia waarmee men in de Middeleeuwen de hemel in kaart bracht. De satelliet bepaalde posities met een precisie vergelijkbaar met het meten van de breedte van een mensenhaar op honderd kilometer afstand. Het zijn slechts enkele procenten van alle sterren, maar duizend keer meer dan ooit tevoren, genoeg om een representatief beeld van de Melkweg te schetsen.

De metingen worden aangevuld met instrumenten die de snelheid en chemische samenstelling van sterren registreren, zoals het deels Nederlandse instrument Weave op de William Herschel Telescope in La Palma en soortgelijke spectrometers op Europese telescopen in Chili. Waar Gaia de bewegingen aan het hemelvlak vastlegt, voegen deze instrumenten de ontbrekende componenten toe: hoe snel sterren van ons af of naar ons toe bewegen. Zo ontstaat een volledig driedimensionaal beeld van sterrenbewegingen, van de grootste structuren tot de fijnste details. Sommige spectra geven daarnaast ook inzicht in de samenstelling van de sterren.

„Wat ik zelf het mooiste vind aan Gaia, is dat de bijna belachelijke precisie subtiele structuren onthult die je anders nooit zou zien”, zegt Anthony Brown van de Universiteit Leiden. Hij leidt sinds 2012 het internationale Data Processing and Analysis Consortium, dat de complexe Gaia-data verwerkt. „We hebben stapsgewijs catalogi uitgebracht, waarbij we telkens een langere tijdspanne van waarnemingen en nieuwe soorten gegevens konden toevoegen. Voor dubbelsterren heb je bijvoorbeeld meerdere jaren observaties nodig – daarom konden die pas in de derde vrijgave verschijnen.” Zo groeide een steeds rijkere dataset die onderzoekers wereldwijd al tijdens de missie in staat stelde ontdekkingen te doen.

Galactische archeologie

Het belangrijkste doel van Gaia was de ontstaansgeschiedenis van de Melkweg te ontrafelen. De metingen maken ‘galactische archeologie’ mogelijk, zoals Amina Helmi het noemt. Niet scherven of ruïnes, maar de overblijfselen van versmolten sterrenstelsels vormen de sporen die je onderzoekt. „Sterren botsen bijna nooit met elkaar, dus hun geheugen blijft bewaard in hun beweging”, zegt Helmi. De banen rond het Melkwegcentrum onthullen subtiele aanwijzingen voor gebeurtenissen van miljarden jaren geleden. Het is alsof Gaia vingerafdrukken op een plaats delict opspoort: groepen sterren die nét iets sneller of trager bewegen of een afwijkende richting volgen, verraden hun gezamenlijke oorsprong.

Dit leidde tot een van de meest iconische ontdekkingen: Gaia-Enceladus, de overblijfselen van een sterrenstelsel dat tien miljard jaar geleden met de Melkweg samensmolt. „Zo konden we met Gaia de geschiedenis van de Melkweg lezen”, zegt Helmi.

Maar de Melkweg is meer dan een geschiedenisboek; het stelsel leeft in een dynamische omgeving. „Het idee dat de Melkweg een eiland-universum is, klopt niet meer”, zegt Helmi. Kleine buurstelsels veroorzaken verstoringen, subtiele golven in de schijf. Toch betekende dat geen permanente chaos: de Melkweg bleef grotendeels rustig. Neem het Sagittarius-dwergstelsel, slechts een tienduizendste van de Melkweg, maar krachtig genoeg om effect te hebben. „Dit kleine stelsel kon iets groots veroorzaken”, zegt Helmi, „als David tegen Goliath.”

De laatste grote botsing vond al tien miljard jaar geleden plaats

Gaia-data laten zien dat Sagittarius de afgelopen miljarden jaren meerdere keren door de schijf trok, waarbij het gas tussen de sterren werd samengeperst en een golf van stervorming ontstond – mogelijk zelfs de geboorte van de zon. Net als David beïnvloedt dit ogenschijnlijk kleine stelsel de dynamiek van een veel groter geheel, terwijl de Melkweg als geheel zijn rustige karakter behoudt. En Sagittarius is niet de enige: Gaia onthulde talloze andere sterrenstromen, uitgesmeerde restanten van kleine stelsels en clusters die zich in de loop van miljarden jaren bij de Melkweg hebben gevoegd.

Helmi ziet hierin een fascinerende tegenstrijdigheid, met directe implicaties voor onze eigen oorsprong. „Enerzijds is de Melkweg gevormd door talloze botsingen met kleinere stelsels”, zegt ze. „Maar de laatste grote botsing vond al tien miljard jaar geleden plaats. Sindsdien is het opvallend rustig gebleven – en juist daardoor kon ons zonnestelsel veilig ontstaan en kon zich leven ontwikkelen.” Die gedachte wil ze uitwerken in nieuw onderzoek. „Ik wil graag weten wat deze geschiedenis betekent voor het ontstaan van exoplaneten, en misschien zelfs voor de kans op leven.”

De veelzijdigheid van Gaia blijkt uit het brede scala aan ontdekkingen. In het domein van de zichtbare hemellichamen bracht de missie honderdduizenden nieuwe dubbelsterren in kaart, zonder voorkeur voor spectaculaire exemplaren. Daarmee ontstaat een vollediger beeld van hoe sterren in paren evolueren.

Kosmische vuurpijlen

Een andere opvallende ontdekking zijn de wegrensterren van Mitchel Stoop, die daarop promoveerde aan de Universiteit van Amsterdam. Ongeveer een kwart van de zwaarste sterren van de Grote Magelhaense Wolk ontvlucht hun geboortecluster met enorme snelheid. In Gaia-data ontdekte Stoop tientallen nieuwe voorbeelden, sommige zwaarder dan honderdmaal de zon, met snelheden tot meer dan honderd kilometer per seconde. „Wegrensterren zijn kosmische vuurpijlen”, zegt Stoop. „Ze reizen honderden tot wel duizenden lichtjaren weg van hun geboorteplaats voordat ze als supernova exploderen en verrijken hun omgeving met de elementen die ze daarbij produceren.” Stoops onderzoek laat zien dat zware sterren niet alleen hun directe omgeving vormen, maar ook op grote afstand de chemische samenstelling en structuur van hun sterrenstelsel beïnvloeden.

Gaia bracht ook onzichtbare werelden aan het licht. Binnen ons zonnestelsel werden meer dan 150.000 planetoïden gevolgd; bij enkele honderden wees hun beweging op de aanwezigheid van manen. Hiermee verdubbelde het aantal bekende planetoïdemanen. Met dezelfde soort precieze positiebepalingen bevestigde de missie ook enkele exoplaneten (planeten rondom andere sterren dan de zon), terwijl duizenden kandidaten wachten op bevestiging in de komende datavrijgaves.

Tot de ‘onzichtbare ontdekkingen’ van Gaia behoren ook nieuwe zwarte gaten, waaronder een fors exemplaar van meer dan dertig zonsmassa’s, ontdekt doordat een nabije ster in een kenmerkende baan eromheen beweegt. Bovendien geeft Gaia cruciale aanwijzingen over donkere materie, dat onzichtbare materiaal dat de bewegingen van sterren en sterrenstelsels stuurt. Het lijkt de Melkweg als een reusachtige, onzichtbare wolk te omhullen, waarvan de vorm subtiel afleesbaar is uit de banen van sterren.

Donkere materie

„Sterrenstromen geven een soort blauwdruk van die donkere materie”, zegt Hanneke Woudenberg, promovendus in de groep van Amina Helmi. In haar onderzoek kijkt ze onder andere naar de Helmi-stroom, het verspreide restant van een dwergstelsel dat miljarden jaren geleden door de Melkweg werd opgeslokt.

Dankzij Gaia konden veel meer sterren tot deze stroom gerekend worden, en bleek dat ze zich in twee groepen opsplitsen die onverwacht verschillende banen volgen. Dat verschil wijst erop dat de Melkweg niet in een keurig ronde, maar in een wat uitgerekte wolk van donkere materie ligt – meer als een rugbybal dan als een perfecte bol. „Zo kunnen we met zichtbare sterren iets leren over iets wat we zelf nooit kunnen zien”, zegt Woudenberg.

De volgende (vierde) datavrijgave van Gaia wordt eind 2026 verwacht. In deze nóg preciezere analyse van de gegevens zullen weer nieuwe planetoïden, exoplaneten, dubbelsterren, zwarte gaten, voorbije melkwegbotsingen en wolken donkere materie onthuld worden. Op termijn staat een infraroodversie van de gehele missie op stapel, met als werktitel Gaia-NIR. „We hebben in 2016 een uitgebreide technische studie gedaan”, vertelt Anthony Brown. „Zo’n uitbreiding zou in staat zijn tot wel 100 miljard objecten te meten, waaronder veel jonge sterren, verscholen in enorme interstellaire stof- en gaswolken.”

Met infrarooddetectoren kunnen onderzoekers niet alleen de bewegingen van sterren over lange periodes volgen, maar – omdat er een overlap in golflengte is met de ‘oude’ Gaia-telescoop – ook exoplaneten met lange omlooptijden ontdekken. „Het zou een ongekende aanvulling zijn op de planeetontdekkingen tot nu toe.”

Gaia laat zien dat sommige revoluties niet abrupt plaatsvinden, maar zich langzaam over de jaren kunnen ontvouwen. „Misschien niet spectaculair qua plaatjes, zoals Hubble of James Webb”, zegt Helmi, „maar spectaculair in wat we leren”.