Sterrenstelsels in clusters: enorme verzamelingen sterrenstelsels
Sterrenstelsels staan niet zomaar willekeurig verspreid door het heelal. Sommige bevinden zich relatief dicht bij elkaar en worden door hun onderlinge zwaartekracht met elkaar verbonden. Kleine groepen sterrenstelsels kunnen samen weer deel uitmaken van veel grotere structuren: clusters van sterrenstelsels.
Een cluster kan uit honderden of zelfs duizenden sterrenstelsels bestaan. Tussen deze sterrenstelsels bevindt zich bovendien enorm veel heet gas. Samen vormen ze enkele van de grootste structuren die door zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.
Maar hoe ontstaan zulke clusters, wat bevindt zich tussen de sterrenstelsels en welke rol spelen ze in de ontwikkeling van het heelal?
Wat is een cluster van sterrenstelsels?
Een cluster van sterrenstelsels is een grote verzameling sterrenstelsels die door zwaartekracht met elkaar verbonden zijn.
Binnen een cluster kunnen enorme aantallen sterrenstelsels aanwezig zijn. Sommige zijn grote elliptische of spiraalvormige sterrenstelsels, terwijl andere veel kleiner zijn.
De sterrenstelsels staan nog steeds op enorme afstanden van elkaar. Een cluster lijkt daardoor niet op een dicht opeengepakt gebied waarin sterrenstelsels letterlijk tegen elkaar aan liggen.
Toch is de gezamenlijke zwaartekracht van alle aanwezige materie groot genoeg om de cluster als één kosmische structuur bij elkaar te houden.
Van groepen naar clusters
Niet alle sterrenstelsels maken direct deel uit van een groot cluster.
Sommige sterrenstelsels vormen kleinere groepen, zoals onze eigen Lokale Groep. Groepen kunnen vervolgens onderdeel zijn van een grotere kosmische omgeving.
Clusters bevinden zich daarmee op een groter schaalniveau dan groepen zoals de Lokale Groep.
Dit laat goed zien dat het heelal uit verschillende niveaus bestaat. Afzonderlijke sterren vormen sterrenstelsels, sterrenstelsels vormen groepen en clusters, en deze structuren maken weer deel uit van nog grotere patronen.
Een cluster bevat veel meer dan sterrenstelsels
Wanneer we naar een cluster kijken, zien we vooral de sterrenstelsels. Toch vormen die slechts een deel van de totale inhoud.
Een groot deel van de massa bestaat waarschijnlijk uit donkere materie. Deze materie is niet rechtstreeks zichtbaar, maar haar zwaartekracht beïnvloedt de beweging van sterrenstelsels en het licht dat door de cluster heen reist.
Daarnaast bevindt zich tussen de sterrenstelsels een enorme hoeveelheid heet gas.
Dit gas kan temperaturen bereiken van tientallen miljoenen graden. Daardoor zendt het vooral röntgenstraling uit in plaats van zichtbaar licht.
Clusters kunnen hierdoor met verschillende soorten telescopen worden onderzocht.
Het hete gas tussen sterrenstelsels
De ruimte tussen sterrenstelsels binnen een cluster lijkt leeg, maar dat is dus niet helemaal het geval.
Er bevindt zich een zeer ijl gas dat voornamelijk uit waterstof en helium bestaat. Door de enorme zwaartekracht van de cluster kan dit gas tot extreem hoge temperaturen worden verhit.
Het gas is zo heet dat het röntgenstraling uitzendt.
Röntgentelescopen kunnen deze straling detecteren en daardoor laten zien waar het hete gas zich bevindt.
Het onderzoek naar dit gas geeft astronomen informatie over de temperatuur, dichtheid en beweging van materiaal binnen een cluster.
Waarom zijn clusters zo zwaar?
De gezamenlijke massa van een cluster kan enorm zijn.
Niet alleen de sterren in alle sterrenstelsels tellen mee. Ook het hete gas tussen de sterrenstelsels en de donkere materie dragen bij aan de totale massa.
Juist de donkere materie vormt waarschijnlijk een groot deel van die massa.
Astronomen kunnen de aanwezigheid daarvan onder andere onderzoeken door te kijken naar de beweging van sterrenstelsels binnen een cluster. Als er alleen zichtbare materie aanwezig zou zijn, zouden sommige clusters zich anders moeten gedragen dan we daadwerkelijk waarnemen.
De zwaartekracht laat daardoor zien dat er veel meer massa aanwezig moet zijn dan we rechtstreeks kunnen zien.
Sterrenstelsels bewegen binnen een cluster
Sterrenstelsels in een cluster staan niet stil.
Ze bewegen onder invloed van de gezamenlijke zwaartekracht van de cluster. Sommige kunnen relatief snel door het cluster bewegen.
Tijdens zo’n beweging kunnen sterrenstelsels door het hete gas heen bewegen dat zich tussen de sterrenstelsels bevindt.
Dit kan gevolgen hebben voor het gas binnen het sterrenstelsel zelf.
Een sterrenstelsel kan bijvoorbeeld een deel van zijn koude gas verliezen. Omdat juist dat koude gas belangrijk is voor de vorming van nieuwe sterren, kan de stervorming daardoor uiteindelijk afnemen.
Botsingen komen ook in clusters voor
Omdat er zoveel sterrenstelsels binnen een relatief beperkt kosmisch gebied aanwezig zijn, kunnen ontmoetingen tussen sterrenstelsels binnen clusters voorkomen.
De zwaartekracht kan daarbij de vorm van sterrenstelsels veranderen.
Net als bij andere galactische botsingen botsen individuele sterren meestal niet rechtstreeks met elkaar. De afstanden tussen sterren zijn daarvoor veel te groot.
De zwaartekracht heeft echter wel invloed op de banen van sterren en op de verdeling van gas en stof.
Sommige ontmoetingen kunnen uiteindelijk leiden tot een samensmelting van sterrenstelsels.
Het grootste sterrenstelsel bevindt zich vaak in het centrum
Veel grote clusters bevatten in het centrale gebied een bijzonder groot sterrenstelsel.
Dit soort sterrenstelsels kan enorme aantallen sterren bevatten en gedurende miljarden jaren groeien door materiaal en kleinere sterrenstelsels op te nemen.
Het centrale sterrenstelsel bevindt zich vaak in een gebied waar de dichtheid van materie bijzonder hoog is.
Door de vele interacties kan het een ingewikkelde geschiedenis hebben waarin meerdere kleinere sterrenstelsels uiteindelijk onderdeel van het grotere systeem zijn geworden.
Hoe ontdekken we clusters?
Clusters kunnen op verschillende manieren worden gevonden.
Een voor de hand liggende methode is zoeken naar gebieden waarin veel sterrenstelsels bij elkaar staan. Wanneer verschillende sterrenstelsels zich op ongeveer dezelfde afstand bevinden en vergelijkbare bewegingen vertonen, kan dat wijzen op een cluster.
Maar sommige clusters zijn ook te herkennen aan het hete gas dat tussen de sterrenstelsels aanwezig is.
Dat gas zendt röntgenstraling uit die vanaf de aarde kan worden waargenomen.
Daarnaast kunnen astronomen zoeken naar de invloed van de zwaartekracht van een cluster op licht van objecten die zich achter de cluster bevinden.
Clusters kunnen licht afbuigen
De enorme massa van een cluster kan de ruimtetijd sterk beïnvloeden.
Wanneer licht van een ver sterrenstelsel achter een cluster langs reist, kan de zwaartekracht van de cluster het licht afbuigen.
Hierdoor kan het verre sterrenstelsel vervormd, vergroot of zelfs meerdere keren zichtbaar worden.
Dit verschijnsel noemen we een zwaartekrachtlens.
Clusters zijn bijzonder krachtige zwaartekrachtlenzen omdat ze zoveel massa bevatten.
Daardoor kunnen astronomen ze gebruiken om niet alleen de cluster zelf te onderzoeken, maar ook zeer verre sterrenstelsels die zich erachter bevinden.
Zwaartekrachtlenzen vormen een belangrijk onderwerp op zichzelf en komen uitgebreider aan bod in het artikel Zwaartekrachtlenzen: wanneer het heelal als een telescoop werkt.
Clusters als kosmische laboratoria
Clusters zijn bijzonder interessant voor wetenschappers omdat ze enorme hoeveelheden materie op één plek bevatten.
Daardoor kunnen astronomen verschillende processen tegelijk bestuderen.
Ze kunnen bijvoorbeeld onderzoeken hoe sterrenstelsels veranderen wanneer ze zich in een dicht kosmisch gebied bevinden. Ook kunnen ze het hete gas tussen de sterrenstelsels onderzoeken en de verdeling van donkere materie bestuderen.
Clusters bieden daarnaast een manier om de ontwikkeling van sterrenstelsels over lange perioden te onderzoeken.
Door clusters op verschillende afstanden te bekijken, zien astronomen hoe zulke structuren er op verschillende momenten in de geschiedenis van het heelal uitzagen.
Bekende clusters
Een bekend voorbeeld is de Virgocluster, een grote verzameling sterrenstelsels die relatief dicht bij de Lokale Groep staat.
Een ander bekend voorbeeld is de Comacluster, waarin duizenden sterrenstelsels aanwezig zijn.
Deze clusters zijn zo groot dat ze met telescopen als enorme verzamelingen sterrenstelsels zichtbaar zijn.
Toch vertegenwoordigen ze slechts een klein onderdeel van de totale structuur van het heelal.
Clusters groeien
Clusters zijn geen volledig afgeronde structuren die ooit zijn ontstaan en daarna onveranderd blijven.
Ze kunnen groeien doordat kleinere groepen en andere sterrenstelsels door hun zwaartekracht worden aangetrokken.
Wanneer een groep sterrenstelsels in een groter cluster terechtkomt, kunnen de eigenschappen van de afzonderlijke sterrenstelsels veranderen.
Ook kunnen twee grote clusters elkaar uiteindelijk ontmoeten en samensmelten.
Zo kunnen steeds grotere structuren ontstaan.
De grootste zwaartekrachtgebonden structuren
Clusters behoren tot de grootste structuren die op relatief kleine schaal door zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.
Daarboven bestaan nog grotere patronen waarin clusters en groepen sterrenstelsels met elkaar verbonden zijn.
Op de allergrootste schaal zien we een enorm netwerk van filamenten en knooppunten, afgewisseld met grote gebieden waarin relatief weinig materie aanwezig is.
Sterrenstelselclusters bevinden zich vaak op de drukke knooppunten van dit kosmische netwerk.
Hierdoor vormen ze belangrijke bouwstenen voor het begrijpen van de grootschalige structuur van het heelal.
Waarom zijn clusters belangrijk voor de sterrenkunde?
Clusters helpen astronomen om verschillende onderdelen van het heelal tegelijk te onderzoeken.
Ze laten zien hoe zwaartekracht grote hoeveelheden materie bij elkaar brengt. Ze geven informatie over donkere materie en het hete gas tussen sterrenstelsels.
Ook kunnen clusters worden gebruikt om zeer verre sterrenstelsels te bestuderen. De zwaartekracht van een cluster kan het licht van zulke objecten versterken, waardoor telescopen objecten kunnen waarnemen die anders veel moeilijker zichtbaar zouden zijn.
Daarnaast vertellen clusters ons meer over hoe het heelal door de tijd heen grote structuren heeft opgebouwd.
Een enorme verzameling sterrenstelsels
Een cluster van sterrenstelsels is veel meer dan een groep heldere vlekken aan de nachtelijke hemel.
Het is een enorm zwaartekrachtsysteem waarin sterrenstelsels, heet gas en donkere materie samenkomen.
De sterrenstelsels bewegen voortdurend, beïnvloeden elkaar en kunnen soms samensmelten. Tegelijkertijd groeit de cluster zelf door nieuwe groepen en sterrenstelsels op te nemen.
Clusters laten daarmee zien hoe het heelal op grote schaal is georganiseerd.
Van onze eigen Lokale Groep tot enorme clusters met duizenden sterrenstelsels: hoe verder we uitzoomen, hoe duidelijker wordt dat het heelal uit een indrukwekkend netwerk van structuren bestaat.