Sterren komen in het heelal bijna nooit alleen voor. Ze staan met honderden bij elkaar in sterrengroepjes. Aan onze eigen nachtelijke hemel vallen de sterren die het dichtst bij ons staan natuurlijk het meeste op. Ze zijn namelijk helderder dan de andere sterren op de achtergrond of dan die wazige band die we Melkweg noemen. Toch zijn bijna al die zwakke puntjes nog sterren die in hetzelfde sterrenstelsel als het onze staan. Dit komt omdat sterren niet enkel in kleine groepjes bij elkaar staan (dit zijn sterren die samen ontstaan zijn), maar die kleine groepjes zelf, ook bij elkaar horen. Zij vormen één sterrenstelsel. We kunnen het vergelijken met een eilandenarchipel. De eilandjes apart zijn de sterrengroepjes en samen vormen ze de archipel. Andere landsgebieden liggen veel verder weg en horen er dus niet bij.
De diameter van de schijf van het melkwegstelsel bedraagt 60 000 lichtjaar, maar met zijn halo erbij is de diameter wel tien keer zo groot. De afstand tussen het melkwegstelsel met zijn halo en het Andromedastelsel met zijn halo is slechts 3 à 4 keer de diameter van ons volledige melkwegstelsel. Om de verhouding tussen deze gigantische afmetingen en afstanden te begrijpen vergelijken we sterrenstelsels even met mensen. De volwassenen (de heldere stelsels) staan dan op een gemiddelde afstand van 95 meter van elkaar, met verschillende kleine kinderen tussen hen in. Het heelal zou eruit zien als een uitgerekte baseballwedstrijd, met veel open ruimten tussen de spelers. In sommige zones, waar stelsels gegroepeerd zijn in dichte clusters, zou ons op schaal gebracht heelal eruit zien als een drukke winkelwandelstraat. Heel anders is het als we de sterren van een gewoon sterrenstelsel zouden reduceren tot mensen, dan zou het hier maar een eenzame bedoening zijn. Onze dichtste buur zou op 96 000 km of op 1/4 van de afstand tot de maan leven. Dit verklaart waarom sterren uiterst zelden botsen.
Inhoud van sterrenstelsels
Een sterrenstelsel bestaat uit miljarden sterren met daartussen wolken van stof en gas. In sterrenstelsels vinden we ook de mysterieuze donkere materie. Rond de sterren kunnen er planeten met manen draaien. Als deze planeten niet rond onze zon draaien, worden ze exoplaneten genoemd. Men heeft ontdekt dat een sterrenstelsel ook zeer veel donkere materie bezit. De gas- en stofwolken kunnen in verschillende gedaantes voorkomen. Zo kunnen zij bijvoorbeeld de kraamklinieken van jonge hete sterren zijn, als ook de materie die bij een sterontploffing wordt uitgestoten.
Sterren
Een ster is een gloeiend en massief hemellichaam dat licht en warmte uitstraalt. De zon is onze dichtsbijzijnde ster. In de kern van een ster wordt waterstof omgezet in helium. Dit gebeurt bij temperaturen van 10 tot 20 miljoen graden en zeer hoge dichtheden. Bij deze kernfusie komt er veel energie vrij die de ster uitstraalt onder de vorm van licht, warmte en andere straling (waaronder ultraviolet & radiostraling).
Op galactisch niveau spreken we van twee soorten sterren: Populatie I- en Populatie II-sterren. Oude sterren, die voornamelijk uit waterstof en helium bestaan, noemt men Populatie II-sterren. Deze sterren vindt men vooral in de bolhopen in de halo rond het sterrenstelsel. Jonge sterren bevatten chemisch zwaardere elementen. Zij zijn immers ontstaan wanneer de gas- en stofwolken waaruit ze geboren worden al 'vervuild' zijn met zwaardere elementen, afkomstig van supernovae. Deze stersoort noemt men Populatie I-sterren. Ze zijn heet en helder.
Deze onderverdeling is echter zeer grof en onnauwkeurig: er bestaat een veel grotere variatie aan sterren. Ook bleek uit verder onderzoek dat het verband tussen leeftijd en chemische samenstelling niet altijd opgaat. Zo vond men in de Magellaanse Wolken Populatie I-sterren die enkel uit lichte elementen bestonden. Naarmate de waarnemingsapparatuur beter werd en de gegevens talrijker, ontwikkelde men een specifiekere classificatie van sterren, op basis van hun spectraaltype.
Gas
Het meeste gas dat voorkomt tussen de sterren in een sterrenstelsel is koud en neutraal geladen. Het bestaat uit atomaire waterstof (H, in dit verband vaak met een extra Romeins cijfer als 'HI' aangeduid omdat het neutraal is). Dichtbij hete sterren wordt dit waterstof echter geïoniseerd onder invloed van de energie van deze sterren, waardoor het gaat gloeien. Geïoniseerd waterstof wordt aangeduid als 'HII'. Het geïoniseerde waterstofgas in deze gebieden zendt dus zelf licht en andere straling uit. Tenslotte komen er nog kleine hoeveelheden van andere elementen (zoals helium) voor.
Alle sterrenstelsels (op de blauwe compacte stelsels na) bevatten oude sterren. Dit wil zeggen dat ze allemaal ongeveer even oud zijn. Het tempo waaraan sterren worden gevormd en waaraan het gas uitgeput werd, verschilt echter van type tot type. De elliptische sterrenstelsels hebben reeds al hun bouwmaterialen opgebruikt. Hierdoor vormen zij nu nog zelden nieuwe sterren. De meer spaarzame spiraalstelsels hebben ook al een groot deel van het beschikbare gas verbruikt, maar er is nog steeds genoeg over om voor miljarden jaren nieuwe sterrengeneraties te kunnen vormen. Bij de onregelmatige sterrenstelsels is er nog zeer veel gas aanwezig. Daarom zijn ze rijk aan jonge, pasgevormde sterren en zien de stelsels er blauwig uit.
Vermits het gas samenhoort met populatie I-sterren, is het dus weinig verrassend dat er maar weinig gas voorkomt in elliptische sterrenstelsels. Waarnemingen hebben in ongeveer 15% van alle ellipsstelsels emissielijnen van geïoniseerde zuurstof gevonden, wat wijst op de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid gas in de kern. Het is opmerkelijk dat geen enkel elliptisch sterrenstelsel dat tot een compacte cluster behoort, emissielijnen heeft. Dit is mogelijk te wijten aan het feit dat botsingen tussen sterrenstelsels in compacte clusters frequenter voorkomen. Door dergelijke botsingen gaat een deel van de gasinhoud van een sterrenstelsel verloren.
Stof
Stofwolken zijn donkere wolken van deeltjes afkomstig van sterren. Ondanks het feit dat ze geen licht uitzenden kan men stof toch detecteren omdat het donkere absorptielijnen veroorzaakt in het emissie-spectrum van een sterrenstelsel. Ook kan men stofwolken waarnemen doordat ze het licht van achterliggende sterren roder kleuren, of dat licht zelfs helemaal blokkeren. De stofwolk is dan te zien als een donkere vlek.
Op enkele uitzonderingen na, lijkt er zeer weinig stof aanwezig te zijn in elliptische sterrenstelsels. In spiraalstelsels komt er veel stof voor in de kernzone en minder aan de buitenkant. Toch is de totale stofinhoud van een stelsel zeer klein ten opzichte van de totale massa van het stelsel.
Bolhopen
Een bolhoop is een bolvormige groep sterren. Spiraalvormige sterrenstelsels zoals ons Melkwegstelsel zijn typisch omgeven door een halo van bolhopen. Bolhopen hangen goed aaneen door zwaartekracht – vandaar hun typisch sferische vorm – en zijn zeer compact in de buurt van hun kern. Hierdoor komen sterren soms heel dicht bij elkaar. Bolhopen bestaan meestal uit honderdduizenden oude sterren, in een volume van slechts enkele kubieke lichtjaren.
Donkere materie
Verschillende waarnemingen duiden er sterk op dat er veel meer materie in ons melkwegstelsel en in andere sterrenstelsels aanwezig is dan wij kunnen detecteren omdat ze geen enkele vorm van straling uitzendt. Eén van de argumenten is dat de sterren aan de rand van spiraalsterrenstelsels hun omloopbaan rond de kern te snel afleggen: er is meer aantrekkingskracht nodig om hen in hun baan te houden, dan geleverd kan worden door de massa van de zichtbare materie in het sterrenstelsel. Daarom denkt men dat er veel donkere materie aanwezig moet zijn, die voor extra aantrekkingskracht op deze buitenste sterren zorgt.
Men weet echter niet wat de aard van deze donkere materie is. Alle voor de hand liggende kandidaten zijn geëlimineerd: geen sterren, planeten, gaswolken, zwarte gaten, uitgedoofde sterren, ... in feite kan het helemaal geen materie zijn die atoomkernen bevat. Zelfs neutrino's, zowat de meest mysterieuze elementaire deeltjes die we kennen, zijn onlangs uitgesloten als mogelijk hoofdbestanddeel van de donkere materie.
Toch komt donkere materie zeer veel voor. Ze beslaat immers zo'n 23% van alle ingrediënten van het heelal. Daardoor bepaalt ze met haar sterke aantrekkingskracht in grote mate mee de evolutie van de sterrenstelsels.