Je leest:

Donkere materie gespot in Bullet Cluster?

Donkere materie gespot in Bullet Cluster?

Auteur: | 7 september 2006

Astronoom Doug Clowe en zijn collega’s hebben twee gigantische wolken donkere materie gevonden op drie miljard lichtjaar van de aarde. Huidige theorieën kunnen dat materiaal niet verklaren, maar volgens sterrenkundigen bevat het heelal tot vijf keer zoveel donkere als normale materie. Clowe zal zijn ontdekking publiceren in de Astrophysical Journal Letters, terwijl critici alternatieve verklaringen naar voren brengen.

Het heelal is zoek, of in ieder geval het grootste deel van zijn massa. Sterrenkundigen zien veel meer zwaartekracht aan het werk dan de hoeveelheid sterren, planeten en interstellaire gaswolken kunnen produceren. Zo draaien sterren in elk sterrenstelsel, ook onze eigen Melkweg, zó snel om de kern van het stelsel dat ze eigenlijk uit de bocht horen te vliegen; extra zwaartekracht van onzichtbare massa lijkt de sterren bij elkaar te houden. De extra massa bestaat niet uit normale materie als atomen, zelfs niet uit anti-materie of andere deeltjes die natuurkundigen kennen. Donkere materie noemen sterrenkundigen het onzichtbare materiaal half wanhopig en ze zoeken als razenden meer informatie over de mysterieuze spookmassa.

Wrak van sterrenstelsels

De Bullet Cluster heeft de naam de op één na grootste explosie in het heelal te zijn. Twee groepen van sterrenstelsels raceten daar op elkaar af en beukten miljarden jaren geleden op elkaar. Terwijl het gas en de sterren van normale materie (rood) botsten en hun snelheid omzetten in een explosie, zweefden de halo’s van donkere materie (blauw) doodleuk door de botsing heen. Donkere materie reageert nou eenmaal niet direct op normaal materiaal, ook niet op een frontaal aanstormende melkweg.

Nu, lang na de botsing, zijn donkere en normale materie in de regio uit elkaar geraakt. Links en rechts van de zichtbare Bullet Cluster bewegen de originele wolken van donkere materie nog in hun oorspronkelijke richting door. Met hun zwaartekracht, liet Clowe’s team zien, verstoren ze het licht van nog verder gelegen sterrenstelsels. (bron: J. Wise, M. Bradac, Stanford / KIPAC) Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Donkere materie is een spannend idee, maar moeilijk hard te maken; juist omdat het materiaal niet reageert op elektromagnetisme of de zwakke en sterke kernkracht is het onmogelijk om er een potje van te vangen in het lab. Indirecte metingen moeten dus hardmaken dat het materiaal toch bestaat. Niet iedere sterrenkundige is daar van overtuigd en sommigen proberen het probleem van te weinig massa voor de gemeten kracht op te lossen door de zwaartekracht iets sterker te maken op interstellaire afstanden. Modified Newtonian Dynamics heten die theorieën; de grondlegger is Mordehai Milgrom, die de eerste manier om donkere materie weg te poetsen in 1981 publiceerde.

Rotatiesnelheden van sterren; de constante lijn is de gemeten omloopsnelheid van een ster op een bepaalde afstand van het centrum. De rode lijn is de voorspelling die de wetten van Kepler opleveren. Eén pc (parsec) is 3.2616 lichtjaar, of 30,856 × 1012 km. De zon staat op zo’n 10 kiloparsec van het centrum van de melkweg. Het grootste deel van de sterren zit binnen 15 kiloparsec van het centrum af.

Clowe heeft de MOND-theorieën met zijn metingen een flinke tik verkocht. Zijn metingen laten in de Bullet Cluster de invloed van zwaartekracht zien zónder bijbehorende normale materie. Met de Amerikaanse ruimtetelescopen Hubble en Chandra, geholpen door grondtelescopen van de Zuidelijke Europese Sterrenwacht in Chili, wist het team de vingerafdruk op te sporen die grote wolken donkere materie achterlaten in het licht van vergelegen sterren. Grote massa’s als sterrenstelsels verbuigen door hun zwaartekracht de ruimte en alles dat daar doorheen reist; licht van achtergelegen sterrenstelsels buigt daardoor alsof het door een gigantische glazen lens reist.

Clowe en zijn team zochten en vonden het gravitatielens-effect in de Bullet cluster, een groep sterrenstelsels op 3 miljard lichtjaar van de aarde. Niet alleen de centrale massa van zichtbare sterren en gaswolken droeg bij aan het lenseffect, aan weerszijden van die massa bevinden zich onzichtbare en veel grotere wolken van massa die nog eens extra trekken aan de ruimte en het licht in de regio. Waar de sterrenstelsels elkaar met hun botsing afremden, konden de halo’s van donkere materie in de stelsels ongehinderd doorbewegen. In de loop der tijd raakten ze volgens Clowe steeds verder uit elkaar.

Zwaartekrachtlens in actie. Licht uit het sterrenstelsel links zou de aarde normaal niet bereiken – het staat zover weg dat onze telescopen niet sterk genoeg zijn om het stelsel te bekijken. Onderweg scheert het licht langs een tweede sterrenstelsel; de lens. Het lens-stelsel bevat niet alleen sterren en gaswolken, maar ook donkere materie. Die oefent wel zwaartekracht uit, maar licht kan er gewoon doorheen. De zwaartekracht van het stelsel buigt de lichtstralen af tot ze bij de aarde samenkomen. Daar kunnen wij door de bundeling het licht van het verre stelsel tóch zien. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

MOND kan meer zwaartekracht leveren met minder materie, maar niet uit het niets; de sporen van zwaartekracht in de Bullet Cluster moeten volgens Clowe en zijn team wel het werk zijn van donkere materie. Op een persconferentie liet Clowe weten dat ook als donkere materie bestaat, de MOND-theorie nog steeds kan kloppen. Misschien werken de twee afwijkingen van wat we kennen wel samen, tenslotte.

Update: 7 september

Donkere materie? Volgens MOND-aanhanger John Moffat (Universiteit van Toronto, Canada) kan ‘zijn’ theorie de extra zwaartekracht in de Bullet-cluster prima verklaren. In de MOND-theorie wordt zwaartekracht steeds zwakker naarmate je verder van zijn bron afreist, tot een bepaalde afstand; daarna groeit de kracht juist weer. De complexe ordening van sterrenstelsels en gaswolken in de cluster levert volgens Moffat precies het zwaartekrachtsveld op dat nodig is om de vreemde lichtbuiging rond de cluster te verklaren. In een voorpublicatie op internet licht hij dat idee toe, maar het artikel is nog niet door de peer-review van een vakblad heen gekomen.

Weer een ander alternatief voor de relativiteitstheorie, de TeVeS-theorie van onder andere HongSheng Zhao (St. Andrews Universiteit, Groot-Brittanië). Zhao legt in een later te verschijnen artikel uit hoe een massa neutrino’s de rol van donkere materie in de Bullet-cluster kan vervullen. Neutrino’s zijn deeltjes uit het natuurkundige Standaard Model. Net als donkere materie laten ze zich nauwelijks tegenhouden door andere deeltjes en reageren ze niet op licht – ze zijn onzichtbaar maar kunnen zeker zwaartekracht uitoefenen. Omdat neutrino’s belachelijk licht zijn (honderden malen lichter dan het electron, dat weer duizenden malen lichter is dan een proton) zijn er ontzettend veel van nodig om de lichtbuiging rond de Bullet-cluster mee te verklaren.

Zoals altijd moet meer onderzoek uitwijzen wie gelijk heeft. Met de Bullet-cluster hebben sterrenkundigen in ieder geval een prachtig lab in de hemel ontdekt.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 september 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.