De cluster, RBC EXT8 genaamd, daagt enkele theorieën uit over hoe sterrenstelsels ontstaan en evolueren
Een vreemde, pas gemeten groep sterren die in een baan om het nabijgelegen Andromeda-sterrenstelsel draait, heeft het laagste niveau van zware chemische elementen dat ooit in een van deze mysterieuze sterrenhopen is gezien. Deze bolvormige sterrenhoop heet RBC EXT8 is ook verrassend enorm, uitdagende theorieën over hoe dergelijke clusters en sommige sterrenstelsels ontstaan, rapporteren astronomen online op 15 oktober Wetenschap.
“Het is een heel ongebruikelijk object”, zegt astrofysicus Oleg Gnedin van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, die niet betrokken was bij de nieuwe ontdekking.
Bolvormige sterrenhopen zijn dicht opeengepakte, bolvormige verzamelingen van sterren die in een baan om het centrum van een melkwegstelsel draaien, hoewel de meeste, inclusief RBC EXT8, in de galactische buitenwijken leven. De clusters zijn doorgaans miljarden jaren oud, dus hun sterren hebben de neiging chemisch zuiver te zijn, wat betekent dat ze zijn gevormd voordat het universum de tijd had om veel van de elementen te creëren die zwaarder zijn dan waterstof of helium, die astronomen samenklonteren als ‘metalen’.
Eerdere waarnemingen van deze clusters in de Melkweg en andere sterrenstelsels hadden gesuggereerd dat er een limiet is aan hoe laag het metaalgehalte van een bolvormige cluster kan zijn. De meest metaalarme clusters waren ongeveer 300 keer minder rijk aan zware elementen zoals ijzer dan de zon, maar niet minder.
Maar spectra van RBC EXT8, zo’n 2,5 miljoen lichtjaar verwijderd, laten zien dat het metaalgehalte van het cluster ongeveer 800 keer kleiner is dan dat van de zon. De bolvormige sterrenhoop die het vorige record had voor de laagste “metalliciteit” heeft drie keer zoveel.
“Het was volkomen onverwachts dat we een bolvormige sterrenhoop zouden vinden die zo metaalarm is”, zegt astronoom Søren Larsen van de Radboud Universiteit in Nijmegen.
Bovendien is dit cluster, gezien zijn metaalarme status, verrassend groot, met een gewicht van ongeveer 1,14 miljoen keer de massa van de zon. (Een middelzware bolvormige cluster is ongeveer 100.000 zonsmassa’s, maar sommige clusters bereiken 3 miljoen zonsmassa’s. RBC EXT8 is zwaar, maar niet de zwaarste.)
Die massa maakt het cluster nog moeilijker uit te leggen, omdat in de kosmos, hoe massiever een melkwegstelsel of cluster is, des te zwaarder de elementen het normaal gesproken heeft.
Er zijn verschillende mogelijke verklaringen voor die trend, maar een daarvan is simpelweg dat meer massieve sterrenstelsels of bolhopen meer sterren hebben. Een ster versmelt zware elementen in zijn kern en strooit ze rond zijn gastheercluster of melkwegstelsel naarmate het ouder wordt. Voldoende massieve sterren kunnen exploderen in een supernova en die metalen verspreiden om deel uit te maken van de volgende generatie sterren (SN: 8/9/19). Dus meer sterren betekent meer kansen voor metalen om zich lokaal op te hopen.
Massievere objecten hebben ook het voordeel van de zwaartekracht, waardoor ze beter vasthouden aan de metalen die ze hebben en miljarden jaren een samenhangende groep blijven. Minder massieve bolvormige sterrenhopen lossen in de loop van de tijd op in hun gaststelsels.
Die trends samen zouden de schijnbare “metaalachtige bodem” voor bolvormige sterrenhopen kunnen hebben verklaard – alle minder massieve, meer metaalarme clusters zijn in de loop van de aionen uit elkaar gevallen.
RBC EXT8 zet die conventionele wijsheid op zijn kop. “Het is te groot om zo laag metallisch te zijn als het heeft”, zegt Gnedin. “Dat is het raadsel.”
Astronomen weten niet zeker hoe bolvormige sterrenhopen zich in het algemeen vormen, maar ze groeien waarschijnlijk in sterrenstelsels, in plaats van zich daarbuiten te vormen en later naar binnen te worden getrokken. En dus weerspiegelen de clusters de kenmerken van hun sterrenstelsels: kleine, metaalarme sterrenstelsels eindigen met kleine metaalarme bolvormige sterrenhopen, en vice versa. Maar gebaseerd op het metaalgehalte van RBC EXT8, zou zijn galactische geboorteplaats minder dan een miljoen zonsmassa’s zijn, dus kleiner dan de bolvormige cluster zelf – wat een paradox is.
Als gevolg hiervan daagt de cluster enkele vereenvoudigde modellen van melkwegvorming uit. Maar het breekt ze niet helemaal, zegt Gnedin. “Het is één object, het gaat de dingen niet omverwerpen”, zegt hij. “Het zorgt ervoor dat wij, mensen die aan deze kwesties werken, harder moeten werken” en meer openstaan voor andere manieren waarop sterrenstelsels kunnen ontstaan.
Ruimdenkendheid en bereidheid om te verkennen is misschien verantwoordelijk voor de nieuwe bevinding over de metalen van RBC EXT8. Larsen en collega’s zagen de bolvormige sterrenhoop aan het begin van een waarnemingsnacht met de Keck-telescoop op Hawaï in oktober 2019. “Het was echt een toevallige ontdekking”, zegt hij. Hij had een uur vrij voordat de bolvormige sterrenhopen in melkweg M33 waar zijn team naar wilde kijken boven de horizon rezen, dus kozen de waarnemers een andere cluster “min of meer willekeurig” om de tijd te vullen.
“In eerste instantie kon ik niet echt geloven dat wat er uitkwam [in the observations] had gelijk ”, zegt Larsen. “Maar ik bleef eraan werken, en het bleek stand te houden.”