Net zoals rimpelingen in een vijver aangeven dat iemand een steen heeft gegooid, een watermeter heeft gelopen of op een kikker heeft gesprongen, zo wordt het bestaan van een mysterieuze substantie - donkere materie - bepaald door de uitgebreide effecten ervan op de ruimte. Astronomen kunnen het niet rechtstreeks waarnemen, maar de zwaartekracht van donkere materie bepaalt de geboorte, vorm en beweging van sterrenstelsels. Dit maakt de ontdekking van vorig jaar volkomen onverwacht: in een vreemd, diffuus sterrenstelsel werd helemaal geen donkere materie gevonden. Denk je dat dat alles is? Maakt niet uit hoe het is.
Melkwegstelsels zonder donkere materie
Verschillende geleerden waren ingenomen met deze ontdekking. Anderen hebben hun twijfels geuit door de meting van de afstanden en beweging van de melkweg te bekritiseren. De inzet is hoog: als er inderdaad een gebrek is aan donkere materie in dit sterrenstelsel, zal dit paradoxaal genoeg het bestaan van deze materie bevestigen.
En dus heeft het oorspronkelijke team aanvullend bewijs verzameld om de oorspronkelijke ontdekking te ondersteunen. Bovendien is er een tweede melkwegstelsel ontdekt met vergelijkbare symptomen. Waar er vroeger één ultradiffuus sterrenstelsel was zonder donkere materie (op het eerste gezicht), zijn er nu twee.
"Een object kan altijd als een eenhoorn worden afgeschreven, maar zodra je twee eenhoorns vindt, begin je je af te vragen over het mogelijke bestaan van eenhoorns", zegt Michael Boylan-Kolchin, een astronoom aan de Universiteit van Texas in Austin, die niet bij het onderzoek betrokken was. 'En dan ga je nadenken over waar ze vandaan kwamen, wat hun eigenschappen zijn en hoe vaak ze voorkomen.'
Eenhoorns vinden
Promotie video:
De twee sterrenstelsels die voor ons van belang zijn, zijn erg zwak en ver van de aarde: fotonen uit hun sterrenhopen begonnen naar onze planeet te reizen in de laatste dagen van het bewind van de dinosauriërs, ongeveer 65 miljoen jaar geleden. Het eerste sterrenstelsel NGC 1052-DF2 is zo groot als de Melkweg, maar bevat 100 keer minder sterren. Het nieuwe sterrenstelsel NGC 1052-DF4 bevindt zich in hetzelfde deel van de hemel en heeft ongeveer dezelfde afmetingen en massa.
In maart vorig jaar publiceerden wetenschappers onder leiding van Shani Danieli en Peter van Dokkum van Yale University een studie die de grootte van NGC 1052-DF2 schatte door het sterlicht te observeren, evenals de bewegingen van de sterrenhopen eromheen. Als NGC 1052-DF2 zoveel donkere materie bevatte als astronomen er normaal van zouden verwachten, zou donkere materie de baansnelheden van deze sterrenverschijnselen verhogen. Maar ze bewegen traag, wat suggereert dat er geen donkere materie is. Critici beweren dat de snelheden van deze sterclusters verkeerd waren berekend - en zelfs als ze correct waren, was de steekproefomvang van slechts 10 sterclusters te bescheiden om betrouwbaar de donkere materie van NGC 1052-DF2 te bepalen.
In oktober besloot Danieli dit probleem met een andere techniek aan te pakken. Ze nam de Keck Cosmic Web Imager, een nieuw instrument dat onlangs achter de gigantische 10 meter grote hoofdspiegel van de Keck-telescoop op Hawaï is geïnstalleerd. Dit instrument kan licht meten van zeer zwakke objecten met een extreem hoge resolutie, waardoor het ideaal is voor het bestuderen van ultradiffuse sterrenstelsels zoals NGC 1052-DF2. Deze tool was zo goed dat Danieli niet langer de bewegingen van de sterrenhoop hoefde te bestuderen om de massa van de melkweg te bepalen. In plaats daarvan kon ze rechtstreeks massa krijgen, rechtstreeks met behulp van het sterlicht van de melkweg.
Qua informatie bevat starlight er veel van. Door licht te scheiden in zijn samenstellende kleuren (dit wordt spectroscopie genoemd), kunnen wetenschappers de samenstelling van een ster, zijn leeftijd, richting in de ruimte en snelheid bepalen. De meeste van deze informatie wordt verzonden in de vorm van spectraallijnen - lineaire elementen ingebed in het spectrum van een ster vanwege de emissie of absorptie van verschillende chemische elementen. Het instrument van Keck heeft het spectrum van ongeveer 10 miljoen sterren in het DF2-sterrenstelsel gemeten. De grootte van de spreiding tussen de snelste en langzaamste sterren in de melkweg geeft een idee van hoeveel materie ermee in wisselwerking staat. Hoe meer materie - donker of een andere soort - hoe groter de spreiding in de snelheden van sterren.
"Tot onze eigen verbazing hebben we extreem smalle spectraallijnen gemeten die heel weinig ruimte laten voor meer massa dan de massa die door sterren in de melkweg wordt gebracht", zegt Danieli. Er is gewoon geen plaats voor donkere materie.
Ondertussen hebben Erik Emsellem van de European Southern Observatory en zijn collega's de melkweg onderzocht met de Very Large Telescope in de Atacama-woestijn in Chili. Ze ontdekten ook een lage snelheidsspreiding die het scenario van ontbrekende donkere materie ondersteunt.
Nicholas Martin, een astronoom aan de Universiteit van Straatsburg in Frankrijk, was een van de critici van het originele artikel. In een vervolgdocument dat vorig jaar werd gepubliceerd, stelde hij dat het te moeilijk is om de massa van het DF2-sterrenstelsel te schatten op basis van de bewegingen van de omringende sterrenhoop. Maar Martin zegt dat hij gerustgesteld is door de laatste resultaten van Danieli en Emsell.
“Dit is mogelijk geworden dankzij nieuwe instrumenten die bij de grootste telescopen ter wereld zijn aangekomen. En, om eerlijk te zijn, een jaar geleden was het mij niet duidelijk dat dit haalbaar zou zijn. Een jaar geleden was ik niet klaar om te zeggen dat dit systeem ronduit per se vreemd zou zijn, omdat het me leek dat metingen niet volledig werden ondersteund door de gegevens. Maar nu er twee verschillende teams zijn die het snelheidsbereik van de sterren zelf hebben gemeten, denk ik dat het duidelijk is geworden dat er iets vreemds aan de hand is."
Danieli's bevindingen werden gepresenteerd op een conferentie over donkere materie aan de Princeton University en zullen worden gepubliceerd in de Astrophysical Journal Letters.
Al met al suggereert haar onderzoek dat er een hele klasse van zulke donkere materie-arme sterrenstelsels bestaat.
Op zoek naar de ontbrekende materie
Sommige astronomen pijnigen hun hersens over hoe dergelijke sterrenstelsels zich hebben kunnen vormen en waar de donkere materie naartoe is gegaan. Boylan-Kolchin zegt dat één mogelijkheid de aantrekkingskracht is van een naburig, veel groter sterrenstelsel, gescheiden van donkere materie. Of DF2 en DF4 zijn misschien helemaal geen sterrenstelsels, maar bescheiden verzamelingen sterren vermomd als sterrenstelsels; in dit geval kunnen deze geïsoleerde groepen sterren ontstaan door botsende gasstralen die uit een andere locatie ontsnappen. Of er kunnen nog saaiere scenario's zijn, bijvoorbeeld de oriëntatie van sterrenstelsels ten opzichte van de aarde, wat een nadelige invloed heeft op het verkrijgen van nauwkeurige spectrale metingen van hun bewegingen.
Eén ding is zeker: als er geen grote twijfels rijzen, zal de afwezigheid van donkere materie in sterrenstelsels overtuigend aantonen dat deze materie te scheiden is van sterren, gas, stof en andere gewone materie. En dat zal op zijn beurt het argument voor het bestaan van donkere materie versterken.
Tot op heden heeft niemand donkere materie definitief ontdekt, ondanks tientallen jaren intensief onderzoek. Gebrek aan bewijs heeft sommige astrofysici ertoe aangezet om naar alternatieve manieren te zoeken om sterrenstelsels vorm te geven en hun beweging te beheersen door de opkomst van hypothesen als 'opkomende zwaartekracht' en 'gemodificeerde Newtoniaanse dynamica'. Voorstanders van deze hypothesen beweren dat de meeste astronomen geloven dat donkere materie een fenomeen is dat voortkomt uit de fysica en dat we het niet helemaal begrijpen. Maar in dit geval zullen deze vreemde melkwegstelsels pleiten voor het feit dat de alternatieven verkeerd zijn en dat donkere materie inderdaad de oorzaak kan zijn.
Ilya Khel
