'Donkere materie bestaat uit gewone sterren'

De Nederlander Valentijn ontdekte dat de helderheid van sterrenstelsels wordt bepaald door de hoek waaronder we ze zien. Dat lijkt voor de hand te liggen; toch is zijn ontdekking als een bom ingeslagen. Astronomen zijn al jaren aan het zoeken naar en rekenen aan iets dat zich maar niet wil vertonen: donkere materie. Deze zou zich verraden via zijn aantrekkingskracht op sterren en sterrenstelsels, die zich op een andere manier lijken te bewegen dan men op grond van hun bekende, zichtbare materie zou afleiden. Over de aard van deze onbekende materie wordt druk gespeculeerd. Zijn het gewone, maar heel lichtzwakke objecten, of gaat het om exotische deeltjes uit de wereld van de hoge-energiefysica? De Nederlandse astronoom Edwin Valentijn heeft nu door een onderzoek aan grote aantallen sterrenstelsels een ontdekking gedaan die een geheel nieuw licht op deze zaak werpt. Het blijkt dat men bij bepaalde soorten sterrenstelsels niet meer de hulp van onbekende materie behoeft in te roepen, omdat men de hoeveelheid bekende materie, te weten sterren, tot nu toe sterk heeft onderschat. Deze ontdekking komt zo onverwacht, dat hij in astronomische kringen als de spreekwoordelijke bom is ingeslagen.

Spiraalstelsels

Sterrenstelsels komen in het heelal in verschillende gedaanten voor. Verreweg het meest voorkomend zijn de spiraalstelsels, waartoe ook ons Melkwegstelsel behoort. Deze stelsels kenmerken zich doordat hun schijf uit spiraalarmen bestaat, die uit een centrale verdikking komen en zich enkele malen om deze kern heenwinden. Men onderscheidt Sa-, Sb- en Sc-stelsels, met een successievelijk kleiner wordender kern en losser wordende spiraalarmen.

Men heeft altijd verondersteld dat spiraalstelsels slechts een betrekkelijk bescheiden hoeveelheid stof bevatten, hetgeen zou inhouden dat ze vrijwel volledig doorschijnend of transparant zouden zijn voor het licht van hun eigen sterren. Dit had men afgeleid uit de waarneming dat de totale hoeveelheid licht die we van zo'n stelsel ontvangen niet veel afhangt van de hoek waaronder we het stelsel zien. Stelsels die we loodrecht van boven zien zouden vrijwel even helder zijn als stelsels waar we schuin tegenaan kijken (uitgaande van dezelfde afstand natuurlijk), omdat het licht van alle sterren daarin uiteindelijk onze telescopen bereikt.

Deze veronderstelling dateert uit het einde van de jaren vijftig, toen de Zweedse astronoom Erik Holmberg op grond van een betrekkelijk kleine steekproef aantoonde dat spiraalstelsels weliswaar stof bevatten, maar over het algemeen toch zeer transparant zijn. Zijn artikel hierover werd sinds die tijd steeds aangehaald, waarbij er tot voor kort niemand op de gedachte kwam deze steekproef eens op grotere schaal over te doen. Dit is nu gedaan door Edwin Valentijn, een Nederlands astronoom die onbezoldigd gastmedewerker is op het Sterrenkundig Laboratorium Kapteyn in Groningen. Zijn onderzoek werd financieel ondersteund door de ESO (Europese Zuidelijke Sterrenwacht) in Garching bij Munchen.

Valentijn, tot voor kort een outsider op het gebied van de spiraalstelsels, gebruikte de nauwkeurige en uitvoerige gegevens over bijna 9.400 sterrenstelsels. Deze stelsels waren geselecteerd uit een catalogus die hij en A. Lauberts van de ESO hadden samengesteld door het met een computergestuurde plaatmeetmachine aftasten van ruim 800 fotografische opnamen van de zuidelijk hemel. De opnamen waren gemaakt met de 1 meter Schmidt-telescoop van de ESO op La Silla in de Chileense Andes.

Hoek

Tijdens een onderzoek naar eventuele selectie-effecten werd Valentijns aandacht getrokken door een eigenaardigheid die hem op een nieuw spoor zette. Hij ontdekte uiteindelijk dat de helderheid van spiraalstelsels van type Sb en Sc (mede) wel werd bepaald door de hoek waaronder wij die stelsels zien. Hoe kleiner die hoek, des te geringer de helderheid. Dit impliceerde dat zulke stelsels niet transparant zijn, zoals Holmberg had gevonden, maar juist vrijwel ondoorzichtig. In feite zien we alleen de buitenkant van die stelsels en daardoor zijn zij het helderst wanneer we er loodrecht op kijken.

Spiraalstelsels moeten dus veel meer stof bevatten dan men tot nu toe had aangenomen. Maar ook de verdeling van dit stof was anders dan men voorheen dacht. De dichtheid ervan zou volgens Valentijn naar de rand van de stelsels moeten toenemen. ' Bovendien zou het gevonden effect met alleen gewoon los stof niet kunnen worden verklaard. Er zijn een aantal geometrische factoren en effecten die maken dat het beter klopt met moleculaire wolken. Die wolken bestaan uit gas, stof en sterren.'

De wolken hebben een zodanige verdeling dat ongeveer de helft van de sterren wordt verduisterd wanneer we loodrecht op het stelsel kijken en 85 procent wanneer we er heel schuin op kijken.

Valentijns ontdekking werd op 12 juli gepubliceerd in Nature. ' Verschillende astronomen reageerden er zeer enthousiast op', zegt Valentijn, ' en ik hoor eigenlijk nauwelijks kritiek van collega's.' Voor degenen die zich bezig houden met onderzoek naar de onbekende materie in het heelal is zijn ontdekking echter niet zo leuk. Doordat de moleculaire wolken massa hebben en bovendien vele gewone sterren aan het oog onttrekken, lijkt het probleem van de onbekende materie nu in een keer te kunnen worden opgelost. Het suggereren van onbekende materie, die zich dan zou moeten bevinden in bolvormige 'halo's' rond spiraalstelsels, is niet meer nodig omdat alle materie nu bekend lijkt te zijn.

Valentijn wijst er echter met nadruk op dat hij niet kan bewijzen dat zulke halo's niet bestaan: hij laat alleen zien dat de reden waarom ze destijds werden gesuggereerd eigenlijk niet meer bestaat. Bovendien gelden zijn onderzoeksresultaten alleen voor twee soorten spiraalstelsels. De mogelijkheid dat zich rond andere typen sterrenstelsels en in clusters van sterrenstelsels nog onbekende materie bevindt, blijft bestaan. Aanwijzingen daarvoor heeft hij enkele jaren geleden zelf gevonden!

Meer stof

Valentijn denkt dat ook ons Melkwegstelsel, dat ook een spiraalstelsel van het type Sb zou zijn, meer stof bevat dan men tot nu toe dacht. Uit tellingen van sterrenstelsels in de eerdergenoemde catalogus is gebleken dat zich aan de hemel ten noorden van het Melkwegvlak 50 procent meer stelsels bevinden dan aan het deel ten zuiden ervan. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat deze verdeling in de ruimte ook zo asymmetrisch is. Uitgaande van het feit dat de zon zich iets ten noorden van het Melkwegvlak bevindt, zou het effect met behulp van de laag van moleculaire wolken heel goed te verklaren zijn. Zuidwaarts kijkende zouden we dan immers meer hinder van lichtabsorptie hebben dan noordwaarts kijkende.

Opmerkelijk is eigenlijk dat de aanwezigheid van moleculaire wolken in spiraalvormige sterrenstelsels al lange tijd bekend is. Deze wolken zenden door hun lage temperatuur straling uit in het gebied van de millimeter- en submillimetergolven en die straling was al lang waargenomen. ' In feite zijn de gegevens die de waarnemers van millimeterstraling hebben gevonden consistent met de mogelijkheid dat spiraalstelsels ondoorzichtig zijn', aldus Valentijn. ' Het heeft me altijd zeer verbaasd dat zij zelf nooit iets in die richting hebben gesuggereerd. De reden daarvoor kan zijn dat hun metingen nog zo'n grote onzekerheid bevatten, in de orde van een factor tien, dat zij die suggestie nog niet durfden uiten.' En zo kon uiteindelijk een optisch astronoom met de eer gaan strijken.