Stars and dust in the edge-on spiral galaxies NGC 5866 and NGC 5746.

Het stoffige medium tussen de sterren

Minstens één derde van het sterlicht in sterrenstelsels wordt geabsorbeerd door interstellair stof. Om te achterhalen hoeveel stof er aanwezig is in een sterrenstelsel en hoe het verdeeld zit, stellen we gedetailleerde computermodellen op van deze systemen. Met deze modellen kunnen we eveneens een aantal voorspellingen doen over de lichtgevende eigenschappen van het stof. Uit onderzoek blijkt echter dat deze voorspellingen niet geheel in overeenstemming zijn met de observaties…

Extragalactische sterrenkunde
Extragalactische sterrenkunde is één van de jongste takken van de astronomie. Nog geen honderd jaar geleden realiseerden enkele wetenschappers zich dat het universum veel verder reikt dan onze eigen Melkweg. Ons sterrenstelsel is in feite slechts één van de miljoenen sterrenstelsel in het heelal.

Een sterrenstelsel is niets anders dan een gravitationeel gebonden systeem van sterren, sterresten, gas, stof en donkere materie. Alles wat niet bevat zit in sterren wordt het “interstellaire medium” genoemd. In dit artikel en in mijn scriptie ligt de focus op het stof tussen de sterren: het “interstellair stof”.

Interstellair stof
Wanneer mensen in het dagelijkse leven praten over stof bedoelen ze meestal het grijze spul dat overal te vinden is in huis en dat, hoe vaak je het ook verwijdert, telkens terugkeert. Interstellair stof is echter iets helemaal anders. De stofdeeltjes variëren in grootte van enkele moleculen tot 0,1 millimeter en bestaan uit verschillende componenten zoals silicaten, carbonaten en koolwaterstoffen (zie bijlage figuur 1). Stofdeeltjes in het heelal kunnen van verschillende bronnen afkomstig zijn. Zo ontstaan ze bijvoorbeeld tijdens een supernova-explosie van een heel zware ster.

Maar waarom is dat stof nu zo interessant? Hoewel het slechts een enorm kleine fractie (ongeveer 1%) uitmaakt van de totale massa van een sterrenstelsel, is het toch een heel belangrijke component. Het zorgt ervoor dat licht afkomstig van de sterren verstrooid of zelfs geabsorbeerd wordt. Daardoor zien wij niet de eigenlijke hoeveelheid licht dat een sterrenstelsel uitstraalt, maar slechts een deel (ongeveer 2/3) ervan. Interstellair stof vervult echter ook een fundamentele rol in andere fysische en chemische processen in sterrenstelsels. Het regelt bijvoorbeeld de temperatuur van het gas en het zorgt er ook voor dat nieuwe sterren gevormd kunnen worden. Terwijl wij stof liever weg willen uit onze kamers, heeft een sterrenstelsel stof nodig om te overleven! Daarom is het dus noodzakelijk om de hoeveelheid, de ruimtelijke verdeling en de eigenschappen van het stof in sterrenstelsels te kennen.

Onderzoekstechnieken en het stof-energiebalansprobleem
In het verleden werden reeds verschillende benaderingen gebruikt om de eigenschappen van het interstellaire stof te onderzoeken. Het is bijvoorbeeld mogelijk om het stof te bestuderen via zijn uitdovend effect op het sterlicht. Als men kan achterhalen in welke mate het licht geabsorbeerd wordt, dan kan men ook te weten komen hoeveel stof er aanwezig is. Dit is echter geen gemakkelijke klus omdat men a priori niet weet hoe het stof verdeeld zit in het sterrenstelsel. Is er enkel het stof dat we zien? Of zit er ook nog stof verstopt diep in het sterrenstelsel dat voor meer absorptie zorgt? Het bepalen van de totale stofmassa en de ruimtelijke verdeling van het stof blijkt heel complex te zijn.

Gelukkig werden er speciale computercodes ontwikkeld om met deze complexiteit om te gaan. Deze codes worden vaak stralingsoverdrachtcodes genoemd, vermits de belangrijkste fysische processen in een sterrenstelsel gerelateerd zijn aan de stralingsoverdracht tussen de verschillende componenten in het systeem (sterren, stof, gas, …). Deze codes zijn de laatste jaren enorm geëvolueerd. Ze werden steeds realistischer en krachtiger. Dit komt vooral door de alsmaar efficiëntere algoritmes, maar ook door de enorme toename aan computerkracht.

Interstellair stof absorbeert niet alleen licht, het straalt ook zelf licht uit! De stofdeeltjes willen namelijk de energie die ze opgenomen hebben ook terug kwijt geraken om in energetische balans te blijven. Dit doen ze dus door licht uit te zenden (of te emitteren). Een tweede methode om de totale stofmassa te bepalen, bestaat er dan ook in de emissie door de stofdeeltjes te meten.

Het spreekt voor zich dat beide methodes om de hoeveelheid stof in sterrenstelsels te bepalen hetzelfde resultaat zouden moeten opleveren. Zoals hierboven uitgelegd, wordt het sterlicht geabsorbeerd door de stofkorreltjes en wordt het vervolgens terug uitgestuurd. Het is mogelijk om uit de hoeveelheid geabsorbeerde energie te voorspellen hoeveel licht er uitgestraald zou moeten worden opdat het systeem in energetisch evenwicht zou blijven. Men zou dus verwachten dat de geabsorbeerde lichtkracht gelijk is aan de uitgezonden lichtkracht. Welnu, uit onderzoek blijkt dat de voorspelde emissie de waargenomen emissie onderschat met een factor drie. Of met andere woorden, dat er veel (ongeveer drie keer) meer licht uitgestraald wordt dan we verwachten! Dit wordt in vaktermen het “stof-energiebalansprobleem” genoemd.

Eigen inbreng en bevindingen
Het hoofddoel van mijn thesis was om dit stof-energiebalansprobleem te onderzoeken in twee “nabij” gelegen sterrenstelsels: NGC 5866 (figuur 2) en NGC 5746 (figuur 3). (NGC staat voor New General Catalogue, een catalogus waarin heel wat sterrenstelsels staan opgelijst.)

In een eerste fase heb ik een gedetailleerd stralingsoverdrachtmodel opgebouwd voor beide sterrenstelsels. Het modelleren van sterren en stof in sterrenstelsels is één van de specialiteiten van de extragalactische sterrenkundegroep van de Universiteit Gent. Zij hebben zelfs hun eigen stralingsoverdrachtcode ontwikkeld, genaamd SKIRT. Met deze code kan de interactie tussen sterlicht en het stoffige interstellaire medium gesimuleerd worden.

Ik heb SKIRT gebruikt om modellen te creëren voor beide sterrenstelsels die zo goed mogelijk de echte observaties reproduceren. In figuren 4 en 5 is het resultaat weergegeven.

In een tweede fase gebruikte ik de verkregen modellen voor een volledige stralingsanalyse van de sterrenstelsels. Voor beide sterrenstelsels vond ik dat de voorspelde stofemissie de geobserveerde emissie onderschat, zoals te zien is in figuren 6 en 7. Hieruit kon ik concluderen dat ook voor deze sterrenstelsels het stof-energiebalansprobleem opduikt. De oorzaak van dit probleem is nog steeds onduidelijk, maar ik ben ervan overtuigd dat verder onderzoek meer inzicht zal verwerven in de mechanismen die betrokken zijn bij de stof-energiebalans en meer licht zal werpen op dit stoffige probleem.