Sterrenstelsels zonder sterren

Deze week publiceerden astronomen de ontdekking van een populatie heel oude en heel koele witte dwergsterren in de halo van onze melkweg. Wellicht is het puin van oeroude dwergstelsels zonder sterren.

ER ZIJN STERKE aanwijzingen dat zich in het heelal grote aantallen sterrenstelsels zonder sterren bevinden. Deze mislukte stelsels zijn veel kleiner dan de lichtgevende sterrenstelsels en zouden voor het grootste deel uit volledig donkere materie bestaan. Het heelal moet er van wemelen: hun totale aantal wordt geschat op minstens tien maal het aantal zichtbare stelsels. Een drietal astronomen, onder wie Ole Möller van de Rijksuniversiteit Groningen, denkt te kunnen aangeven hoe en waar men deze duistere objecten zou kunnen vinden.

Een van de meest gangbare theorieën over de ontwikkeling van het heelal is die van de koude, donkere materie (cold dark matter, CDM). Volgens deze theorie (in feite een groep theorieën) zouden in het uitdijende en afkoelende heelal eerst grote wolken koude donkere materie zijn ontstaan, die later uiteenvielen in sub-wolken die zich vervolgens aaneenregen tot grotere structuren: sterrenstelsels, clusters en superclusters. De sub-wolken hadden zeer uiteenlopende massa's: van honderd maal die van het melkwegstelsel tot een honderdduizendste deel ervan.

Computersimulaties met CDM-modellen kunnen vele kenmerken van het vroegere (verre) en huidige (lokale) heelal goed voorspellen. Eén van de weinige manco's van de modellen is dat zij veel meer kleinere sterrenstelsels voorspellen dan er worden waargenomen. De Amerikaanse astronoom Anatoly Klypin meldde twee jaar geleden dat dit aantal in de Lokale Groep, waar ons melkwegstelsel toe behoort, vijf tot vijftien maal te klein is. `Waar zijn de ontbrekende galactische satellieten', luidde de kop die de Astrophysical Journal boven zijn artikel plaatste.

Het afgelopen decennium zijn door systematisch zoeken in de Lokale Groep weliswaar nog kleine lichtzwakke stelsels ontdekt, maar het is hoogst onwaarschijnlijk dat daar in de toekomst nog zoveel exemplaren bijkomen dat het grote verschil tussen de CDM-theorie en de praktijk kan worden weggepoetst. Sommige astronomen denken daarom dat het klassieke CDM-scenario aanpassingen behoeft, anderen zijn van mening dat de ontbrekende stelsels niet zichtbaar zijn doordat ze (vrijwel) geen sterren bevatten.

Bekend is al dat de kleinste sterrenstelsels die we kennen, de dwergstelsels, voor een groot deel uit donkere materie bestaan. In het Draco- en Ursa Minor-stelsel, twee begeleiders van ons melkwegstelsel, is 99 procent van de materie donker. Wellicht werd de meeste grondstof voor het ontstaan van sterren, waterstofgas, weggeblazen door de schokgolven van enkele zware sterren die als eerste in deze stelsels ontstonden en na een kort bestaan als supernova explodeerden.

contractie

Een ander effect dat de stervorming in zulke dwergen kon belemmeren was de her-ionisatie van hun oermaterie door de ioniserende straling die na het ontstaan van de eerste sterrenstelsels door het heelal golfde. Deze verwarming zou de verdere contractie van stelsels, en de stervorming daarin, hebben tegengewerkt. De Amerikaanse astronoom James Bullock toonde vorig jaar aan dat het enorme `tekort' aan kleine sterrenstelsels in de Lokale Groep geheel door dit effect zou kunnen worden verklaard.

Bullock en anderen denken dat sommige van deze (vrijwel) sterloze stelsels misschien verwant zijn aan de wolken waterstofgas die met grote snelheden rond ons melkwegstelsel bewegen en alleen via hun straling op radiogolflengten zijn te zien. De herkomst van deze hogesnelheidswolken was lange tijd een raadsel, maar sinds astronomen van het Kapteyn Instituut in Groningen twee jaar geleden van één van hen de afstand en massa wisten te bepalen is het aannemelijk dat sommige van hen de overblijfselen zijn van de grote, koude gaswolken waaruit ons melkwegstelsel is ontstaan.

Tijdens het ontstaan van ons melkwegstelsel zouden vele omringende dwergstelsels in wording als gevolg van sterke getijdenkrachten uiteen zijn getrokken. In de Astrophysical Journal van 10 februari suggereerde Bullock dat de bolvormige invloedssfeer (halo) rond ons melkwegstelsel voor een deel uit verspreide overblijfselen van zulke uiteengetrokken dwergen zou kunnen bestaan. Van groot belang is daarom de ontdekking, door de Amerikaan Ben Oppenheimer en zijn collega's, van een populatie heel oude en heel koele witte dwergsterren in deze halo (Science, 22 maart): wellicht het puin van oeroude dwergstelsels.

onzichtbare stelsels

Als er inderdaad nog zeer grote aantallen kleine, onzichtbare sterrenstelsels bestaan, is er dan een mogelijkheid om die toch waar te nemen? Volgens Ole Möller, een Duitse astronoom die op de Rijksuniversiteit Groningen werkt, zal dat onder andere afhangen van de materie waaruit zij bestaan. Misschien bevatten onzichtbare stelsels mislukte sterren (bruine dwergen), die vooral in het infrarood stralen, of wolken moleculair of atomair waterstofgas die zich op radiogolflengten kunnen verraden. En misschien verraden de donkere stelsels zich doordat zij het licht van verder weg staande sterrenstelsels afbuigen en dus als gravitatielens fungeren.

In een artikel dat in april in de Monthly Notices van de Royal Astronomical Society zal verschijnen, geven Möller en zijn Britse collega's Neil Trentham en Enrico Ramirez-Ruiz ook aan wáár men volledig donkere sterrenstelsels zou kunnen vinden. Als een bepaald, klein sterrenstelsel met een ongewoon grote snelheid door de ruimte beweegt of een ongewone opleving van stervorming vertoont, kan dat een aanwijzing zijn dat het door iets wordt aangetrokken of `opgestookt'. In vele gevallen zal een naburig sterrenstels de boosdoener zijn, maar als er niets is te zien zou er een donker stelsel in het spel kunnen zijn.

Aan de hemel ziet men vaak twee of meer sterrenstelsels die elkaar via hun aantrekkingskracht beïnvloeden. Soms blijkt hierbij zelfs materie van het ene stelsel naar het andere te stromen. Veel zeldzamer is het verschijnsel dat zulke materie naar een punt beweegt waar niets is te zien. Dat is bijvoorbeeld het geval bij het stelsel UGC 10214, waar misschien door een donkere begeleider aan wordt getrokken. De astronomen suggereren dan ook dat gebieden aan de hemel rond het einde van zo'n materiestroom goede zoekplaatsen voor volledig donkere sterrenstelsels zijn.

    • George Beekman