Vreemd: een sterrenstelsel zonder donkere materie

Astronomie

Donkere materie is de kosmische lijm die sterrenstelsels bijeenhoudt. Maar een team onder leiding van een Nederlandse astronoom heeft nu bewijs gevonden dat het ook zonder kan.

Een prototype van de Dragonfly Telephoto Array waarmee het ultradiffuse sterrenstelsel werd opgespoord. Foto Pieter van Dokkum

Astronomen hebben een sterrenstelsel ontdekt dat – volkomen onverwacht – vrijwel geen donkere materie lijkt te bevatten. Paradoxaal genoeg is dat juist een teken dat deze raadselachtige vorm van materie, die geen waarneembare straling uitzendt, maar wel zwaartekracht uitoefent, écht bestaat.

Het vreemde sterrenstelsel is opgespoord door een team onder leiding van de Nederlandse astronoom Pieter van Dokkum, hoogleraar aan de Yale-universiteit. Van Dokkum en zijn collega’s zijn gespecialiseerd in het opsporen van zogeheten ultra-diffuse stelsels.

Ultra-diffuse stelsels wijken sterk af van normale sterrenstelsels zoals onze Melkweg. Ze kunnen wel ongeveer net zo groot zijn, maar bevatten soms meer dan honderd keer minder sterren. Dat maakt zulke stelsels heel moeilijk waarneembaar.

Voor het opsporen van deze ‘luchtige’ sterrenstelsels maakt het team van Van Dokkum gebruik van een bijzondere telescoop die uit 48 afzonderlijke telelenzen bestaat: de Dragonfly Telephoto Array. Een van de stelsels die met deze lenzenkijker zijn geregistreerd, heeft de aanduiding NGC1052-DF2, of kortweg DF2, gekregen.

De astronomen hebben dit ongeveer 65 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel nu uitgebreid onderzocht met onder meer de Hubble-ruimtetelescoop en een van de 10-meter Keck-telescopen op Hawaï. Daarbij is gericht gekeken naar de snelheden van tien bolvormige sterrenhopen – compacte verzamelingen sterren – die in wijde banen om het centrum van DF2 cirkelen.

Uit het onderzoek, waarvan de resultaten woensdag in Nature zijn gepubliceerd, blijkt dat deze sterrenhopen veel langzamer bewegen dan verwacht. Daarbij geldt dat hoe trager de objecten in zo’n sterrenstelsel bewegen, des te minder massa er in dat stelsel aanwezig is. Berekeningen laten zien dat DF2 niet veel meer massa kan hebben dan er aan sterren te zien is. Het stelsel bevat dus weinig of geen donkere materie.

Dat kwam als een verrassing. Andere ultra-diffuse sterrenstelsels laten juist een overschot aan donkere materie zien. Dat past ook goed in het bestaande beeld dat sterrenstelsels zijn ontstaan uit enorme wolken van donkere materie, die vervolgens normale materie uit hun omgeving hebben aangetrokken. De twee zouden onlosmakelijk met elkaar verbonden moeten zijn.

Toch is het niet voor het eerst dat van een sterrenstelsel wordt beweerd dat het geen donkere materie bevat. Over voorgaande claims bestaat echter veel discussie. Volgens Van Dokkum valt er over DF2 weinig te discussiëren.

„Het verschil is dat DF2 heel diffuus is – de hoeveelheid sterren is heel klein voor zo'n groot stelsel. Dat betekent dat donkere materie gemakkelijk te detecteren zou moeten zijn”, zegt hij. „Het feit dat het stelsel zo groot is betekent ook dat we tot ver van het centrum de massa kunnen meten – tot aan de rand waar de donkere materie zou kunnen zijn. Er is simpelweg geen plek waar donkere materie zich zou kunnen verstoppen.”

Lees ook: Dit jaar wordt mogelijk het mysterie van donkere materie opgelost

De nieuwe ontdekking heeft ook een bredere implicatie. Ze versterkt het idee dat donkere materie echt een (onbekende) substantie is – iets wat door sommige wetenschappers in twijfel wordt getrokken. Alternatieve theorieën zoals de ‘gemodificeerde newtoniaanse dynamica’ en de theorie van de emergente zwaartekracht van theoretisch fysicus Erik Verlinde voorspellen namelijk dat de signatuur van ‘donkere materie’ bij alle sterrenstelsels waarneembaar zou moeten zijn.

„Nu we weten waarnaar we moeten zoeken, hebben we nog een paar kandidaten voor ultra-diffuse stelsels zonder donkere materie op het oog”, aldus Van Dokkum. Dat levert een completer beeld en geeft mogelijk inzicht in hoe sterrenstelsels als DF2 konden ontstaan.

Los daarvan rest natuurlijk nog de vraag hoe sterrenstelsels als DF2 kunnen zijn ontstaan. Daar hebben Van Dokkum en zijn team wel ideeën over, maar voor een completer beeld moeten meer van deze stelsels worden opgespoord. En daar wordt druk aan gewerkt. „Nu we weten waarnaar we zoeken, hebben we nog een paar kandidaten voor ultra-diffuse stelsels zonder donkere materie op het oog”, aldus Van Dokkum. „We proberen nog dit jaar de snelheden van de bolvormige sterrenhopen in deze stelsels te meten, om te zien hoeveel massa ze hebben.”

    • Eddy Echternach