Dankzij een snoeiharde botsing tussen sterrenstelsels is het bestaan van donkere materie weer wat waarschijnlijker

Astronomie Donkere materie is hypothetisch spul. Dat het hoe dan ook bestaat is waarschijnlijker geworden dankzij de vondst van twee sterrenstelsels die er juist niets van bevatten.

De zelfgemaakte telescoop van Yale-astronoom Pieter van Dokkum, waarmee hij in 2018 en 2019 de sterrenstelsels DF2 en DF4 vond.
De zelfgemaakte telescoop van Yale-astronoom Pieter van Dokkum, waarmee hij in 2018 en 2019 de sterrenstelsels DF2 en DF4 vond. Foto Pieter van Dokkum

Astronomen hebben een verklaring gevonden voor twee sterrenstelsels die nauwelijks donkere materie bevatten, een raadsel dat astronomen jaren bezig hield. Met een zelfgemaakte telescoop vond de Nederlandse astronoom Pieter van Dokkum in 2018 en 2019 twee sterrenstelsels die bijna geen donkere materie in zich hadden. Nú blijkt uit modelsimulaties van datzelfde team dat donkere materie daar ontbreekt, doordat oudere sterrenstelsels waaruit ze gevormd zijn acht miljard jaar geleden tegen elkaar botsten. Daarbij scheidde donkere materie van gas, en uit dat gas ontstonden nieuwe sterrenstelsels zónder donkere materie. Het team publiceerde de resultaten woensdag in het blad Nature.

Donkere materie is nog nóóit gezien, geroken of gehoord. Het bestaan ervan volgt uit berekeningen aan draaisnelheden in de kosmos. Sterrenstelsels draaien zó snel, dat astronomen verwachten dat ze uit elkaar zouden zwiepen. Er is niet genoeg massa in een sterrenstelsel om de zwaartekracht te genereren die nodig is om de boel bij elkaar te houden. Daarom is hypothetisch spul in het leven geroepen, donkere materie, dat de benodigde zwaartekracht genereert. Het gangbare idee was dat sterrenstelsels alléén konden ontstaan met donkere materie.

Maar sterrenstelsels DF2, gevonden door het team van Van Dokkum, hoogleraar aan de Amerikaanse Yale University, bevat nauwelijks donkere materie. Het sterrenstelsel draait dusdanig langzaam dat er geen donkere materie nodig is om de boel bij elkaar te houden. DF2 staat op ongeveer 65 miljoen lichtjaar afstand en cirkelt om het grotere sterrenstelsel NGC 1052. Van Dokkum vond het sterrenstelsel met de Dragonfly, een telescoop met 48 lenzen die hij samen met een Canadese collega bouwde.

Een jaar later vond het team van Van Dokkum nog een sterrenstelsel zonder donkere materie. Dat was DF4, en die cirkelt ook om NGC 1052.

Gasrijke sterrenstels

Hoe is het mogelijk dat sterrenstelsels, in tegenstelling tot het gangbare idee, ontstaan zónder donkere materie? In 2019 opperde de astronoom Joseph Silk dat zo’n stelsel het resultaat is van twee botsende, gasrijke sterrenstels. In de jonge kosmos bestonden sterrenstelsels voornamelijk uit donkere materie en gas. Wanneer zulke stelsels botsen, wordt alles erin opgeschud. Donkere materie en eventuele sterren bewegen langs elkaar en drijven uiteindelijk naar buiten. Maar gas wordt samengeperst en drijft daardoor veel langzamer naar buiten. Zo scheidt gas van donkere materie. Uit het gas ontstaan nieuwe sterren en uiteindelijk een nieuw sterrenstelsel, zónder donkere materie.

Nu bevestigen modelsimulaties van Van Dokkum dat DF2 en DF4 op deze manier kunnen zijn ontstaan. Van Dokkum: „We onderzochten de huidige bewegingen en snelheden waarmee DF2 en DF4 van elkaar weg bewegen en spoelden dat terug in de tijd. Die bewegingen komen overeen met gesimuleerde bewegingen van de sterrenstelsels die ontstaan zijn uit een botsing tussen andere sterrenstelsels, zo’n acht miljard jaar gelden.”

Het moet een heftige botsing geweest zijn. Alleen wanneer sterrenstelsels met minimaal driehonderd kilometer per seconde tegen elkaar botsen, is de botsing hard genoeg om donkere materie van gas te scheiden. Een hoge botssnelheid klopt met de waarnemingen. DF2 en DF4 bewegen nu nog met hoog tempo van elkaar weg, 358 kilometer per seconde.

„Verrassend is dat we ook een rij van nog zes andere sterrenstelsels vonden in dezelfde lijn als DF2 en DF4, vermoedelijk zijn die ook donkerematerieloos”, zegt de astronoom.

Vreemd genoeg leveren donkerematerieloze sterrenstelsels juist bewijs voor het bestaan van donkere materie. Van Dokkum: „Sommige wetenschappers opperen dat donkere materie niet bestaat. Zij denken niet dat er extra massa nodig is om de hoeveelheid zwaartekracht te verklaren, maar pleiten dat de zwaartekracht zélf anders werkt dan we denken. Maar als de zwaartekrachtwetten inderdaad anders zouden zijn, zou je verwachten dat dit voor ieder sterrenstelsel geldt. Je kunt de wetten van de natuurkunde niet op de ene plek weglaten en op de andere plek niet.”