De nachtelijke hemel heeft een merkwaardig vermogen om je te verrassen op het moment dat je het minst verwacht. Je bent op zoek naar iets anders, je stelsel staat al ingevoerd in het goto-systeem, de camera is al gekalibreerd, en dan, terwijl je even door de zoeker kijkt of een testopname bekijkt, zie je het. Een groot, uitgestrekt sterrenstelsel dat de vorm heeft van een walvis. Niet vaag, niet met wat fantasie, maar echt, onmiskenbaar, met een buik en een rug en een staartvin die aan een kant omhoog krult alsof het dier zich klaar maakt om onder te duiken. NGC 463, ook bekend als de 'Whale Nebula' (Walvismelkwegstelsel) is een van die objecten waarbij de bijnaam geen marketingtruc is maar een pure beschrijving van de werkelijkheid.
De walvis zweeft door de sterren van het sterrenbeeld Canes Venatici (Jachthonden) met een zelfverzekerdheid die past bij zijn naam, zijn gebogen rugprofiel herkenbaar zelfs op bescheiden opnames, zijn staart opgeheven in de richting van zijn kleine metgezel NGC 4627 die als een begeleider boven hem hangt. Het is een van de meest onmiddellijk herkenbare sterrenstelsels aan de lentehemel, en tegelijkertijd een van de wetenschappelijk rijkste. Want onder dat vriendelijke walvissilhouet gaat een wereld van kosmisch geweld schuil. NGC 4631 is een starburst-sterrenstelsel, een stelsel waar stervorming op dit moment plaatsvindt met een intensiteit die tientallen malen groter is dan normaal, aangedreven door een reeks van galactische interacties die het stelsel al miljoenen jaren vervormen en doorschudden. De walvis is rustig van buiten. Van binnen bruist ze.
Ontdekking en catalogisering
NGC 4631 werd ontdekt door de Duits-Britse astronoom William Herschel op 20 maart 1787, tijdens een van zijn systematische verkenningen van de lentehemels vanuit zijn observatorium in Slough, Engeland. Herschel, die ook de planeet Uranus ontdekte en honderden nevels en sterrenstelsels in kaart bracht, noteerde het object als een uitgestrekte, heldere nevel, hij kon uiteraard niet vermoeden dat hij naar een sterrenstelsel van tientallen miljarden sterren keek, op miljoenen lichtjaren afstand. Het object werd later opgenomen in de New General Catalogue van John Louis Emil Dreyer, gepubliceerd in 1888, waar het zijn huidige aanduiding NGC 4631 ontving. In dezelfde nacht van zijn ontdekking noteerde Herschel ook het kleine elliptische stelsel NGC 4627, de kleine begeleider die boven de walvis hangt en die later zou blijken fysiek geassocieerd te zijn met NGC 4631 als onderdeel van hetzelfde gravitationele systeem. In de twintigste eeuw werd NGC 4631 een intensief bestudeerd object dankzij zijn relatieve nabijheid en zijn bijzondere fysische eigenschappen. Radioastronomische waarnemingen in de jaren vijftig en zestig onthulden de uitgestrekte neutrale waterstofstructuren rondom het stelsel en maakten de eerste aanwijzingen zichtbaar voor de interacties die het stelsel zo actief maken. Latere röntgen- en gammastraalwaarnemingen bevestigden de buitengewone starburst-activiteit in het stelsel en plaatsten NGC 4631 op de kaart als een van de meest interessante nabije sterrenstelsels voor multi-wavelength onderzoek.
Locatie aan de hemel
NGC 4631 bevindt zich in het sterrenbeeld Canes Venatici, de Jachthonden, op een rechte klimming van 12u 42m 08s en een declinatie van +32° 32' 29''. Canes Venatici is een klein sterrenbeeld zonder bijzonder heldere sterren, maar het is voor deepsky waarnemers een van de rijkste gebieden aan de lentehemel: het bevat naast NGC 4631 ook de Zonnebloemsterrenstelsel (M63), de Wervelwindsterrenstelsel (M51), de bolvormige sterrenhoop M3 en tientallen andere sterrenstelsels van uiteenlopende typen en helderheid. De afstand tot NGC 4631 wordt geschat op ongeveer 25 tot 30 miljoen lichtjaar, met de meest geciteerde waarden rond de 25 miljoen lichtjaar. Op die afstand heeft het stelsel een schijnbare lengte van ongeveer 15 boogminuten en een breedte van 3 tot 4 boogminuten, groot genoeg om in een matige telescoop al zijn karakteristieke walvisvorm te tonen, maar compact genoeg om ook met langere brandpuntsafstanden volledig in beeld te passen. De werkelijke fysische diameter van het stelsel bedraagt op basis van de aangenomen afstand ruwweg 110.000 lichtjaar, vergelijkbaar met de diameter van onze melkweg. De schijnbare magnitude van NGC 4631 bedraagt ongeveer 9,0 tot 9,2, wat het tot een van de helderste randsgewijs-gerichte sterrenstelsels aan de hemel maakt. Voor waarnemers op het noordelijk halfrond is het stelsel het best te observeren van maart tot juli, wanneer Canes Venatici hoog aan de hemel staat. Vanuit België en Nederland bereikt het sterrenbeeld een comfortabele hoogte van 65 tot 70 graden boven de zuidelijke horizon, wat het tot een van de meest gunstig gelegen lenteobjecten maakt.
De structuur van de kosmische walvis
NGC 4631 is een randsgewijs-gericht spiraalstelsel van het type SB(s)d, wat betekent dat het een geblokte spiraalstructuur heeft met open, losjes gewonden spiraalarm en relatief weinig centrale bulge. Die combinatie van kenmerken maakt het structureel heel anders dan het eerder besproken NGC 4565 (de Naaldsterrenstelsel), dat een grotere centrale bulge en strakkere spiraalstructuur heeft. De gebogen rugvorm van de walvis is het meest opvallende morfologische kenmerk. Het stelsel is niet perfect vlak maar vertoont een duidelijke warp, een buiging van de galactische schijf ten opzichte van haar middenvlak. Die warp is het directe gevolg van de gravitationele interacties met de naburige stelsels NGC 4627 en het iets verder verwijderde NGC 4656, ook wel de Hockeystick Galaxy genoemd. De getijdenkrachten van die naburige stelsels trekken aan de buitenste delen van de schijf van NGC 4631 en buigen ze uit hun vlak, waardoor de karakteristieke gebogen vorm ontstaat die de walvisillusie zo overtuigend maakt. De staart van de walvis, de opkrullende structuur aan de westkant van het stelsel, is bijzonder interessant. Radioobservaties hebben aangetoond dat het neutrale waterstofgas aan de westeinde van het stelsel zich uitstrekt tot ver buiten de optisch zichtbare schijf, in een uitgestrekte boog die zich over tientallen kiloparsec uitstrekt. Die gasextensie is een getijdenstaart, gecreëerd door de gravitationele interactie met NGC 4656, en ze is een van de meest directe zichtbare bewijzen van de interactionele geschiedenis van het stelsel.
en een Player One Poseidon-M PRO camera.
Starburst: de walvis in vuur en vlam
Het meest spectaculaire en wetenschappelijk fascinerende aspect van NGC 4631 is zijn starburst-activiteit. Een starburst-sterrenstelsel is een stelsel waar stervorming plaatsvindt met een snelheid die dramatisch hoger is dan in een normaal rustig spiraalstelsel, soms tientallen tot honderden malen hoger. In NGC 4631 is de stervormingssnelheid naar schatting 5 tot 10 keer hoger dan in de melkweg, geconcentreerd in de centrale en binnenste zones van het stelsel. Die verhoogde stervorming is direct gekoppeld aan de galactische interacties die het stelsel heeft ondergaan. Wanneer twee sterrenstelsels gravitationeel interacteren, worden grote hoeveelheden gas naar het centrum van de stelsels gestuurd via gravitationele instabiliteiten en schokgolven. Dat geconcentreerde gas is brandstof voor stervorming: moleculaire wolken worden samengeperst, instabiliteiten groeien uit tot stervormingskernen, en nieuwe sterren worden geboren in een tempo dat ver boven het galactische gemiddelde ligt. De gevolgen van die intense stervorming zijn zichtbaar in meerdere golflengtes. In het ultraviolet, waar jonge, hete sterren het sterkst stralen, licht het centrale deel van NGC 4631 fel op. In het infrarood produceert het stof dat wordt verhit door die jonge sterren intense thermische straling. In röntgenlicht zijn de supernova-restanten en hete gasbubbels zichtbaar die worden gecreëerd wanneer de kortstondig levende, meest massieve sterren van de starburst na enkele miljoenen jaren als supernova exploderen.
De galactische wind
Een van de meest opvallende en visueel spectaculaire gevolgen van de starburst-activiteit in NGC 4631 is de galactische wind die het stelsel uitstoot, een stroom van heet gas en energetische deeltjes die loodrecht op het galactische vlak de ruimte in wordt geblazen, ver boven en onder de galactische schijf. Die galactische wind is het gevolg van de gecombineerde kracht van duizenden supernova-explosies en stellaire winden van de massieve jonge sterren in de starburst-zones. Elke supernova injecteert een enorme hoeveelheid energie in het omringende gas, verhit het tot temperaturen van miljoenen graden, en drijft het weg van het galactische vlak. Wanneer duizenden supernovae in een relatief klein volume en een relatief kort tijdsbestek exploderen, worden de individuele bellen van heet gas samengevoegd tot een coherente superwind die het stelsel verlaat als een galactische fontein. In röntgenlicht, zoals waargenomen door de Chandra X-ray Observatory en de XMM-Newton telescoop, is die galactische wind van NGC 4631 indrukwekkend zichtbaar.
Uitgestrekte lobben van superheet gas, met temperaturen van enkele miljoenen graden, strekken zich loodrecht op de galactische schijf uit tot meer dan 20.000 lichtjaar boven en onder het middenvlak van het stelsel. Die röntgenlobben zijn de directe uitdrukking van de starburst-activiteit in het binnenste van de walvis, zichtbaar gemaakt door de hoge energiestraling die het superheie gas uitzendt. In het radiogebied zijn eveneens uitgestrekte structuren gedetecteerd rondom NGC 4631 die geassocieerd zijn met de galactische wind. Synchrotronemissie van versnelde elektronen, dezelfde elektronen die worden voortgebracht door de supernova-explosies in het stelsel, tekent de magnetische veldlijnen die de galactische wind volgt, en geeft astronomen informatie over de structuur en sterkte van het galactische magneetveld. Op sommige bijzonder diepe breedband- en H-alfa opnames zijn ook in optisch licht sporen van de galactische wind zichtbaar als uitgestrekte, diffuse nevelachtige structuren die het stelsel omringen, een uiterst zwakke maar detecteerbare gloed van geïoniseerd gas dat door de wind uit de schijf wordt geduwd.
Astrofotografie: de walvis in al zijn glorie
NGC 4631 is voor astrofotografen een van de meest dankbare objecten aan de lentehemels. De combinatie van een hoge oppervlaktehelderheid, een grote schijnbare afmeting, een herkenbare en fotogenieke vorm en de aanwezigheid van de begeleider NGC 4627 in hetzelfde beeldveld maakt het tot een object dat bij elke kwaliteit van apparatuur en elke belichtingstijd iets te laten zien heeft. Qua brandpuntsafstand werkt NGC 4631 het best in beeldvelden van 20 tot 40 boogminuten, wat overeenkomt met brandpuntsafstanden van ruwweg 700 tot 1500 mm op fullframe of 450 tot 1000 mm op APS-C. Met kortere brandpuntsafstanden wordt het stelsel te klein om de interne structuren goed te resolven, hoewel een brede opname die ook NGC 4656 meeneemt in hetzelfde beeldveld een boeiende compositie kan geven die het grotere interactionele systeem in beeld brengt. Met langere brandpuntsafstanden van meer dan 1500 mm worden de fijnere details in de schijf en de stofbanden zichtbaar, en beginnen ook de helderste H-II-regio's als afzonderlijke structuren zichtbaar te worden.
Belichtingstijden van 4 tot 8 uur in LRGB geven uitstekende resultaten voor de hoofdstructuur van het stelsel. Wie ook de zwakkere buitenste schijfgebieden en de galactische halo wil belichten, inclusief de uiterst zwakke getijdenstructuren die op de diepste opnames rondom het stelsel zichtbaar worden, doet er goed aan de totale integratie op te voeren naar 10 tot 15 uur. De toevoeging van H-alfa data verhoogt de wetenschappelijke en esthetische rijkdom van het eindresultaat aanzienlijk door de H-II-gebieden in de schijf te benadrukken. Een bijzonder boeiende astrofotografische uitdaging is het fotograferen van de galactische wind rondom NGC 4631 in optisch licht. De zwakke nevelachtige structuren die de galactische wind vertegenwoordigen zijn uiterst moeilijk te detecteren, ze vereisen belichtingstijden van 20 uur en meer, een extreem donkere hemel en zorgvuldige beeldverwerking om boven het ruisniveau uit te komen. Maar wanneer ze zichtbaar worden op een diepe opname, geven ze NGC 4631 een extra dimensie die het stelsel transformeert van een mooi walvissilhouet naar een levend, ademend kosmisch organisme.
Visuele waarneming
NGC 4631 is een van de meest bevredigende visuele deepskyobjecten aan de lentehemel, een object dat in elke instrumentklasse iets te laten zien heeft en dat zelfs onder matige omstandigheden herkenbaar is. Met een telescoop van 80 tot 100 mm is het stelsel al zichtbaar als een uitgestrekte, langgerekte gloed met een iets helderdere centrale zone. De walvisvorm is bij dit instrumentkaliber nog moeilijk te herkennen, maar de uitgestrektheid en de lage oppervlaktehelderheid van het stelsel zijn al duidelijk. Bij 150 tot 200 mm begint de karakteristieke asymmetrie van het stelsel zichtbaar te worden, de gebogen rugvorm, de iets hellende oriëntatie, en bij goede omstandigheden ook de aanwezigheid van NGC 4627 als een compact lichtpuntje boven het noordelijke randje van de walvis. Dit is het kaliber waarbij NGC 4631 echt begint te leven als visueel object. Met 300 mm en meer, onder een donkere hemel met goede seeing, toont NGC 4631 zijn volledige karakter. De walvisvorm is onmiskenbaar, de centrale stofbanden zijn als subtiele donkere onderberingen zichtbaar in het schijfprofiel, en de helderste knobbels van H-II-activiteit geven het stelsel een gevlekte textuur die doet denken aan een walvishuid van sterrenlicht. NGC 4627 is scherp en duidelijk als een aparte, compacte begeleider, en de combinatie van de twee stelsels in hetzelfde gezichtsveld geeft een van de meest memorabele visuele ervaringen die de lentehemels te bieden heeft.
Het Hockeystick Galaxy
NGC 4631 is niet alleen in interactie met zijn kleine begeleider NGC 4627. Op grotere schaal maakt het deel uit van een los gravitationeel systeem dat ook het bizarre stelsel NGC 4656 omvat, het zogenaamde Hockeystick Galaxy, zo genoemd vanwege zijn sterk gebogen en asymmetrische vorm. NGC 4656 bevindt zich op een afstand van ongeveer 35 boogminuten ten zuidoosten van NGC 4631, op de hemel dichtbij genoeg om op brede astrofoto's samen in beeld te verschijnen, en in werkelijkheid op een afstand van slechts enkele honderdduizenden lichtjaren. De sterk gebogen, staafachtige morfologie van NGC 4656 is zelf het gevolg van de gravitationele interactie met NGC 4631: de getijdenkrachten van de walvis hebben de schijf van NGC 4656 vervormd tot zijn karakteristieke hockeystick-vorm, en de getijdenstaart aan het uiteinde van NGC 4656 wijst in de richting van NGC 4631 als een gravitationele aanwijzer. Op radiokaarten van neutraal waterstof is de verbinding tussen de twee stelsels dramatisch zichtbaar: een uitgestrekte brug van neutraal waterstofgas verbindt NGC 4631 en NGC 4656, een directe materiaalverbinding die aantoont dat de twee stelsels al daadwerkelijk gas uitwisselen als gevolg van hun gravitationele interactie. Die HI-brug is een klassiek kenmerk van interacterende sterrenstelselparen en wordt in meerdere andere systemen waargenomen, maar in het geval van NGC 4631 en NGC 4656 is ze bijzonder uitgestrekt en goed gedocumenteerd.
