De voorspelde fusie van de Melkweg en Andromeda en het verdere lot van sterrenstelsels in een uitdijend heelal
Alle sterrenstelsels veranderen voortdurend in de kosmische tijd: ze groeien door fusies, veranderen geleidelijk door interne processen en naderen soms onvermijdelijk botsingen met naburige sterrenstelsels. De Melkweg, waarin wij leven, is hierop geen uitzondering: het beweegt binnen de Lokale Groep van sterrenstelsels (LG), en waarnemingen tonen aan dat het op een botsing afstevent met zijn grootste satelliet – het Andromedastelsel (M31). Deze indrukwekkende fusie, ook wel "Melkomeda" genoemd, zal onze lokale kosmos fundamenteel veranderen over enkele miljarden jaren. Maar zelfs na dit evenement zal de snelle expansie van het heelal leiden tot een bredere geschiedenis van isolatie van sterrenstelsels en hun uiteindelijke lot. In dit artikel bespreken we waarom en hoe de Melkweg met Andromeda zal botsen, de mogelijke gevolgen van de fusie voor beide sterrenstelsels en de bredere lange termijn toekomst van sterrenstelsels in de context van de uitdijende kosmos.
1. De naderende fusie: Melkweg en Andromeda
1.1 Bewijs voor de botsingsbaan
Nauwkeurige metingen van de beweging van Andromeda ten opzichte van de Melkweg tonen aan dat het in een blauwverschuiving verkeert – het nadert ons met ongeveer 110 km/s. Vroege onderzoeken van de radiale snelheid suggereerden een mogelijke toekomstige botsing, maar de transversale snelheid van Andromeda was lange tijd onduidelijk. Gegevens van de Hubble-ruimtetelescoop en latere verfijningen (inclusief Gaia-waarnemingen) maakten het mogelijk de eigen beweging van Andromeda te bepalen, waarmee werd bevestigd dat het over ongeveer 4–5 miljard jaar met onze Melkweg zou moeten botsen [1,2].
1.2 Context van de Lokale Groep van sterrenstelsels
Andromeda (M31) en de Melkweg zijn de twee grootste sterrenstelsels in de Lokale Groep van sterrenstelsels – een kleine verzameling sterrenstelsels met een diameter van ongeveer 3 miljoen lichtjaar. De Driehoekstelsel (M33), die dicht bij Andromeda draait, kan ook betrokken zijn bij een toekomstige botsing. Verschillende dwergsterrenstelsels (zoals de Magelhaense Wolken, andere satellieten) aan de rand van de LG kunnen ook getijdenverstoring ondervinden of satellieten worden van het samensmeltende systeem.
1.3 Tijdschalen en botsingsdynamica
Simulaties tonen aan dat de eerste botsing tussen Andromeda en de Melkweg zal plaatsvinden over ongeveer 4–5 miljard jaar, mogelijk met enkele nauwe passages voorafgaand aan de uiteindelijke coalescentie rond 6–7 miljard jaar in de toekomst. Tijdens deze nadering:
- Tijdeffecten zullen de schijfstructuur uitrekken, mogelijk met het ontstaan van getijdenstaarten of ringvormige structuren.
- Stervorming zal tijdelijk intensiveren in regio's waar gaswolken overlappen.
- Voeding van het zwarte gat kan toenemen in de kerngebieden als gas naar het centrum stroomt.
Uiteindelijk zullen deze sterrenstelsels waarschijnlijk samenvoegen tot een massief elliptisch of lensvormig sterrenstelsel, genaamd "Melkomeda", waarin de sterren van beide spiralen samensmelten [3].
2. Mogelijk resultaat van de "Melkomeda" samensmelting
2.1 Elliptische of massieve sferoïde overblijfsel
Belangrijke samensmeltingen, vooral van twee spiraalstelsels met vergelijkbare massa, vernietigen meestal schijfstructuren en vormen een drukondersteunde sferoïde, kenmerkend voor elliptische sterrenstelsels. Het uiteindelijke uiterlijk van "Melkomeda" zal waarschijnlijk afhangen van:
- Geometrie van banen – als de interactie centraal symmetrisch is, kan een typische elliptische structuur ontstaan.
- Overgebleven gashoeveelheid – als er nog ongebruikt of niet opgeblazen gas is, kan een lensvormig (S0) sterrenstelsel ontstaan met een zwakke schijf- of ringstructuur.
- Donkere materie halo – de gezamenlijke halo van de Melkweg en Andromeda vormt de zwaartekrachtsomgeving die bepaalt hoe sterren zich herverdelen.
Modellen die spiraalstelsels met veel gas bestuderen, tonen sterke uitbarstingen van stervorming tijdens samensmeltingen, maar na 4–5 miljard jaar zullen de gasreserves van de Melkweg kleiner zijn, waardoor de stervorming tijdens de samensmelting mogelijk minder intens is dan in het vroege heelal [4].
2.2 Centrale interactie van het LG
Het zwarte gat van de Melkweg (Sgr A*) en het grotere zwarte gat van Andromeda kunnen uiteindelijk samensmelten door dynamische wrijving. In de laatste momenten van de samensmelting kunnen sterke zwaartekrachtsgolven vrijkomen (hoewel niet zo intens als in zwaardere of verder gelegen systemen op kosmologische schaal). De samengesmolten zwarte gaten blijven in het centrum van het nieuwe elliptische sterrenstelsel, mogelijk stralend als een AGN zolang er voldoende gas is.
2.3 Het lot van het zonnestelsel
Tijdens de samensmelting zal de Zon ongeveer even oud zijn als nu – het heelal nadert het einde van de late waterstofverbranding. De helderheid van de Zon zal toenemen, waardoor de Aarde ongeschikt wordt voor leven, ondanks de galactische botsing. Dynamisch gezien zal het zonnestelsel waarschijnlijk blijven draaien rond het centrum van het nieuwe sterrenstelsel (of aan de rand van de halo), maar het is onwaarschijnlijk dat het wordt uitgeworpen of opgeslokt door het zwarte gat [5].
3. Andere Lokale Groep-galaxieën en de evolutie van dwergsatellieten
3.1 Driehoekgalaxie (M33)
M33, de derde grootste spiraalgalaxie van de VG, draait rond Andromeda en zou betrokken kunnen zijn bij het "Milkomeda"-proces. Afhankelijk van de baan kan M33 later fuseren met het samengesmolten Andromeda-Melkweg-systeem of worden vernietigd door getijdenkrachten. Deze galaxie bevat vrij veel gas, dus de uiteindelijke fusie zou een latere toename van stervorming in het gezamenlijke systeem kunnen veroorzaken.
3.2 Interacties van dwergsatellieten
VG heeft tientallen dwergsterrenstelsels (bijv. Magelhaense Wolken, Dwergpijl, enz.). Sommige daarvan kunnen tijdens komende fusies worden vernietigd of in de "Milkomeda"-structuur worden opgenomen. Over miljarden jaren kunnen talloze kleine fusies de sterhalo verder vergroten en het uiteindelijke systeem verdichten. Zo zet de hiërarchische interactie zich voort na de hoofdspiralenfusie.
4. Verdere context van de expansie van het heelal
4.1 Versnellende expansie en galactische isolatie
Na de vorming van "Milkomeda" betekent de snelle expansie van het heelal, aangedreven door donkere energie, dat sterrenstelsels die niet gravitatiegebonden zijn, uit elkaar drijven en het uiteindelijk onmogelijk wordt om een oorzakelijk verband met hen te leggen. Na tientallen miljarden jaren zal alleen de Lokale Groep (of haar overblijfsel) gravitatiegebonden blijven, terwijl alle verdere clusterstructuren sneller uit elkaar drijven dan het licht kan reizen. Uiteindelijk zullen "Milkomeda" en haar satellieten een "eilandheelal" worden, afgescheiden van andere clusters [6].
4.2 Uitputting van stervorming
Naarmate de kosmische tijd vordert, zullen de gasvoorraden afnemen. Fusies en terugkoppeling kunnen het resterende gas opwarmen of verwijderen, en de hoeveelheden nieuw instromend gas uit kosmische filamenten nemen in het late tijdperk af. Na honderden miljarden jaren zal stervorming vrijwel stoppen, waarbij vooral oude rode dwergsterren overblijven. De uiteindelijke elliptische galaxie zal vervagen, gedomineerd door zwakke rode sterren, witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten.
4.3 Dominantie van zwarte gaten en overblijfselen
Na triljoenen jaren kunnen veel sterren, beïnvloed door gravitatie-interacties, uit de halo van Milkomeda worden weggeslingerd. Ondertussen blijft de SMJS in de kern van het sterrenstelsel. Uiteindelijk kunnen zwarte gaten de enige belangrijke massa-concentraties zijn in deze sombere kosmische achtergrond. Hawkingstraling zou zwarte gaten over ongelooflijk lange periodes kunnen verdampen, maar dat ligt ver buiten de gebruikelijke astrofysische tijdperken [9, 10].
5. Inzichten uit observaties en theoretische analyse
5.1 Observatie van de beweging van Andromeda
Hablo kosmische telescoop matigde de snelheden van Andromeda gedetailleerd, waarmee de botsingsbaan met een kleine zijcomponent werd bevestigd. Extra gegevens van Gaia verfijnen de banen van Andromeda en M33 verder, waardoor de naderingsgeometrie beter kan worden bepaald [7]. Toekomstige kosmische astrometrische missies kunnen de eerste botsingstijd nog nauwkeuriger vaststellen.
5.2 N-lichaam simulaties van de Lokale Groep
Modellen, ontwikkeld bij het NASA Goddard Space Flight Center of elders, tonen aan dat de eerste botsing zal beginnen over ongeveer 4–5 miljard jaar, waarna M31 en de Melkweg meerdere keren dicht langs elkaar kunnen passeren. Uiteindelijk zullen ze binnen enkele honderden miljoenen jaren samensmelten tot een gigantisch elliptisch-achtig sterrenstelsel. Simulaties onderzoeken ook de betrokkenheid van M33, achtergelaten getijdenstaarten en kernachtige uitbarstingen van stervorming [8].
5.3 Het lot van verre clusters buiten de Lokale Groep
Door kosmische versnelling scheiden verre clusters zich van ons af – na verloop van tijd zullen ze onze waarnemingsgrenzen overschrijden. Waarnemingen van supernova's met hoge roodverschuiving tonen aan dat donkere energie de expansie van het universum domineert, waardoor het grootschalige sterrenstelselnetwerk zal splitsen in geïsoleerde 'eilanden'. Dus zelfs als sterrenstelsels lokaal samensmelten, verwijdert en verzwakt de bredere kosmische structuur zich uit ons gezichtsveld.
6. De verre kosmische toekomst
6.1 Het 'degeneratieve' tijdperk van het universum
Nadat de stervorming is uitgeput, gaan sterrenstelsels (of samengesmolten systemen) geleidelijk over in het 'degeneratieve tijdperk', waarin de belangrijkste massa van de populatie afkomstig is van sterresten (witte dwergen, neutronensterren, zwarte gaten). Soms kunnen toevallige botsingen van bruine dwergen of sterresten tijdelijk stervorming nieuw leven inblazen, maar gemiddeld is het universum aanzienlijk afgezwakt.
6.2 Het uiteindelijke heersen van zwarte gaten
Na honderden biljoenen jaren kunnen gravitatie-interacties veel sterren uit de halo van het sterrenstelsel wegwerpen, terwijl de grootste zwarte gaten in de centra blijven. Uiteindelijk kunnen zij de enige belangrijke massareservoirs zijn in de eenzame kosmos. Hawkingstraling kan deze zwarte gaten over onvoorstelbaar lange tijden zelfs verdampen, hoewel dit ver buiten de gebruikelijke astrofysische tijdperken valt [9, 10].
6.3 Erfgoed van de Lokale Groep
In het 'Donkere Tijdperk' zal Milkomeda waarschijnlijk het enige massieve elliptische stelsel zijn waarin de overblijfselen van sterren uit de Melkweg, Andromeda, M33 en dwergsterrenstelsels verborgen liggen. Als verdere sterrenstelsels/cluster buiten onze kosmologische waarnemingshorizon vallen, blijft lokaal dit samengesmolten eiland over, dat langzaam in de kosmische duisternis zinkt.
7. Conclusies
De Melkweg en Andromeda naderen onvermijdelijk naar de samensmelting van sterrenstelsels – een fenomeen dat een enorme verandering zal veroorzaken in het centrum van de Lokale Groep. Ongeveer over 4–5 miljard jaar zullen deze twee spiraalstelsels interacties vertonen met getijdevervormingen, uitbarstingen van stervorming en golven van 'voeding' van zwarte gaten, totdat ze uiteindelijk samensmelten tot één massief elliptisch stelsel – 'Milkomeda'. Kleinere sterrenstelsels, zoals M33, kunnen bij die samensmelting betrokken raken, terwijl dwergsatellieten getijdengewijs worden verscheurd of geïntegreerd.
Als we nog verder kijken, zal de expansie van het heelal deze nieuwe structuur scheiden van de overige structuren, waardoor het in eenzaamheid wordt afgesloten, waar stervorming uiteindelijk zal uitdoven. Over tientallen of honderden miljarden jaren zullen alleen nog maar verouderende sterren overblijven, totdat uiteindelijk alleen zwarte gaten en sterresten domineren. Maar voor de komende enkele miljarden jaren zal onze kosmische hoek vrij levendig blijven, en de naderende botsing met Andromeda zal het laatste grote galactische samenvoegingsgebeuren in de Lokale Groep zijn.
Links en verdere lectuur
- van der Marel, R. P., et al. (2012). “De M31 snelheidsvector. III. Toekomstige baanontwikkeling, fusie en lot van de Zon in het Melkweg–M31–M33 systeem.” The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). “M31 transversale snelheid en massa van de Lokale Groep uit satellietkinematica.” The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). “De botsing tussen de Melkweg en Andromeda.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). “Een verenigd, door fusies gedreven model voor de oorsprong van stervormingsuitbarstingen, quasars en sferoïden.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). “Onze Zon. III. Heden en toekomst.” The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). “Observationeel bewijs van supernova's voor een versnellend heelal en een kosmologische constante.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). “Gaia Data Release 2. Observationele Hertzsprung–Russell diagrammen.” Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). “Derde-epoch Magellaanse Wolken eigenbewegingen. III. Kinematische geschiedenis van de Magellaanse Wolken en het lot van de Magellaanse Stroom.” The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). “Een stervende kosmos: het lange termijn lot en de evolutie van astrofysische objecten.” Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). “Deeltjescreatie door zwarte gaten.” Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.