Vreemde waarnemingen van sterrenstelsels dagen ideeën over donkere materie uit

Verwarrende observaties van verre sterrenstelsels dagen de dominante ideeën van kosmologen over het universum uit, wat mogelijk leidt tot de implicatie dat de vreemde substantie die donkere materie wordt genoemd, niet bestaat.

Dat is een mogelijke conclusie van een nieuwe studie die op 20 juni is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. De bevinding “roept vragen op van een buitengewoon fundamentele aard”, zegt Richard Brent Tully, een astronoom aan de Universiteit van Hawaï in Manoa, die niet betrokken was bij het werk.

Astronomen vermoeden dat donkere materie bestaat vanwege de manier waarop sterren en ander zichtbaar materiaal aan de zichtbare rand van een sterrenstelsel roteren. De rotatiesnelheden van objecten ver van een galactisch centrum zijn veel hoger dan ze zouden moeten zijn gezien de hoeveelheid lichtgevend materiaal dat in telescopen wordt gezien. Volgens het huidige begrip van zwaartekracht van natuurkundigen impliceert dit dat een enorme hoeveelheid onzichtbare materie aan die sterren moet trekken.

De nieuwe resultaten berusten op het feit dat massieve objecten het weefsel van ruimte en tijd vervormen. Sterrenstelsels zijn gemaakt van enorme hoeveelheden zichtbare sterren, gas en stof, evenals — volgens de theorie — een enorme halo van onzichtbare donkere materie. Dit betekent dat licht zal worden gebogen en vervormd terwijl het langs een sterrenstelsel reist, een effect dat bekend staat als gravitationele lenswerking.

Wetende dit, besloten astronoom Tobias Mistele van de Case Western Reserve Universiteit in Cleveland en zijn collega's op zoek te gaan naar tekenen van gravitationele lenswerking rond meerdere sterrenstelsels als een manier om de inhoud van de sterrenstelsels te onderzoeken. Het team keek naar een catalogus van ongeveer 130.000 sterrenstelsels die zijn vastgelegd door de VLT Survey Telescope van het Europese Zuidelijke Observatorium's Paranal Observatorium in Chili, op zoek naar kenmerkende strepen die de aanwezigheid aangaven van meer verre sterrenstelsels waarvan het licht was gebogen en vervormd door de tussenliggende objecten.

De hoeveelheid lenswerking biedt een proxy voor de massa's van de voorgrondsterrenstelsels, inclusief zowel hun lichtgevende materie als, vermoedelijk, de veel grotere hoeveelheid donkere materie die elk sterrenstelsel omringt. Het team berekende vervolgens de massa op verschillende afstanden van elk sterrenstelselcentrum en gebruikte dat om de snelheid af te leiden waarmee een ster op die afstanden zou draaien.

Onder het heersende model van de kosmologie, genaamd Lambda CDM, klontert donkere materie samen in enorme klompen in het heelal, en de zwaartekracht van deze klompen trekt zichtbare materie aan, die vervolgens een sterrenstelsel vormt (SN: 4/4/24). Eerdere observaties hebben vastgesteld dat deze halo-achtige klompen zich uitstrekken tot minstens 300.000 lichtjaren van het centrum van een sterrenstelsel. Voorbij die rand zouden de rotatiesnelheden van sterren moeten beginnen af te nemen.

Maar met behulp van hun gravitationele lenswerking-gegevens berekenden Mistele en zijn collega's dat een ster die een miljoen lichtjaren van het centrum van elk sterrenstelsel geplaatst is, en mogelijk tot 3 miljard lichtjaren verderop, nog steeds veel te snel zou roteren gezien zowel de zichtbare als de donkere materie waarvan aangenomen wordt dat ze in het sterrenstelsel aanwezig zijn.

Betekent dit dat er nog meer onzichtbaar materiaal is dan eerder gedacht? Misschien niet.

Een rivaliserende theorie van Lambda CDM, bekend als gemodificeerde Newtoniaanse dynamica, of MOND, doet het concept van donkere materie geheel en al af en suggereert in plaats daarvan dat zwaartekracht zich anders gedraagt op de schaal van sterrenstelsels (SN: 3/28/18). Al lang bepleit door Mistele's coauteur Stacy McGaugh, ook van Case Western, voorspelt MOND specifiek de soorten observaties die in de studie zijn gevonden.

Maar Lambda CDM is nog niet uitgeteld.

“Ik denk dat het een hele stap is om te zeggen dat men zonder donkere materie kan, omdat de bewijslijnen [ervoor] zo talrijk zijn,” zegt Bhuvnesh Jain, een kosmoloog aan de Universiteit van Pennsylvania.

Zo wordt de groei van grootschalige structuren in het universum sinds de oerknal veel beter verklaard door Lambda CDM dan MOND. Jain suggereert dat er misschien nog exotischere ideeën zijn in wiskundige modellen van zwaartekracht, geïnspireerd door het hoger-dimensionale denken dat in de snaartheorie voorkomt, die de huidige grootschalige structuur van het universum zouden kunnen verklaren. Bepaalde variaties van dergelijke ideeën zouden de gegevens van Mistele en zijn collega's kunnen verklaren terwijl ze ook de rol van donkere materie herzien.

Observaties van de Euclid-satelliet van de Europese Ruimtevaartorganisatie, die vorig jaar werd gelanceerd, zullen onderzoekers binnenkort voorzien van veel betere gegevens over gravitationele lenswerking, wat mogelijk kan helpen om te ontcijferen wat er aan de hand is met dit vreemde mysterie.