Zichtbare materie bepaalt snelheid sterrenstelsels, die onafhankelijk lijkt te zijn van de verhouding donkere materie ter plekke

Donkere materie is een gevestigde theorie om de draaiing van sterrenstelsels te kunnen verklaren. Amerikaanse wetenschappers hebben nu de draaiing en massa van sterrenstelsels bepaald met grotere precisie dan ooit. Ze ontdekten dat de verhouding van donkere materie er nauwelijks invloed op heeft. Moeten astronomen terug naar de tekentafel?

5 oktober 2016

Al sinds de jaren zeventig zitten astronomen met een groot probleem. Ze krijgen het maar niet voor elkaar om de draaisnelheid van sterrenstelsels te verklaren, die is namelijk veel te hoog. Sterren aan de randen van de stelsels – met omwentelingstijden van honderden miljoenen jaren – zouden er eigenlijk gestaag uit moeten vliegen, als onfortuinlijke kinderen op een veel te snelle draaimolen.

De Melkweg heeft een structuur die vergelijkbaar is met het M51-sterrenstelsel, ook wel de draaikolknevel genoemd. — Het M51-stelsel, ook wel de draaikolknevel genoemd, is een typisch spiraalvormig sterrenstelsel zoals onze eigen Melkweg. Sterren draaien in verschillende armen gestaag om een helder centrum heen. De snelheid waarmee ze dat in voornamelijk de buitenste regio’s doen is echter veel hoger dan de klassieke zwaartekrachtswetten van Isaac Newton voorspellen.
S. Beckwith, Hubble Heritage Team, ESA, NASA

Daarom opperen wetenschappers dat er zich in sterrenstelsels grote hoeveelheden zogenoemde donkere materie moeten bevinden. Materie die we niet zien met telescopen maar die middels de zwaartekracht wél de sterrenstelsels bij elkaar kan houden. Donkere materie lijkt veel astronomische verschijnselen te verklaren. Er is echter ondanks verwoede pogingen nog nooit donkere materie waargenomen.

Maar wat als er iets anders aan de hand is? Wat als ‘gewone’ materie anders werkt op de draaiing van een sterrenstelsel? Of wat als de zwaartekracht op grote schaal anders in elkaar steekt?

Wetenschappers van de Amerikaanse Case Western Reserve University en University of Oregon vinden nu een sterke koppeling tussen de hoeveelheid zichtbare materie in een stelsel en de draaiing ervan. Dat betekent niet direct dat de donkere materie-theorie van tafel kan, maar wél dat we misschien op een andere manier naar het donkere deel van het universum moeten zoeken. Het onderzoek verschijnt binnenkort in het tijdschrift Physical Review Letters.

Massa’s meten

De wetenschappers onder leiding van astronoom Stacy McGaugh keken naar gedetailleerde opnames van de Spitzer-ruimtetelescoop die van 2003 tot 2009 dienstdeed. Als eerste keken ze naar de draaisnelheid van 153 verschillende sterrenstelsels, die via het zogenoemde dopplereffect te bepalen is voor verschillende delen van de draaiende schijven. Het dopplereffect zorgt voor een verandering van de golflengte van het licht, afhankelijk van de snelheid van de lichtbron.

Sterrenhoop Terzan 5 bevat een ongewone mix van erg jonge en oude sterren. — Deze opname van sterrenhoop Terzan 5 laat veel verschillende soorten sterren zien, die een ander soort licht uitzenden. Sterrenstelsels staan (anders dan een sterrenhoop) zo ver weg dat individuele sterren niet te onderscheiden zijn. Astronomen maken daarom schattingen op basis van het soort sterlicht dat ze zien.
ESO/F. Ferraro via CC BY 3.0

Vervolgens gingen de wetenschappers aan de slag om een zo precies mogelijke schatting te maken van het gewicht van de zichtbare massa’s van de sterrenstelsels. Dat blijkt het beste te gaan met infrarode straling, het soort straling dat de meest voorkomende sterren vooral uitzenden. “Op basis van infrarode straling is de onzekerheid in de massaschatting relatief klein”, zegt Erwin de Blok, onderzoeker bij het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON. “Ook heeft infrarood minder last van stofwolken die het zicht blokkeren.” MgGaugh en collega’s gebruikten ook hiervoor data van Spitzer en verkregen zo naar eigen zeggen de nauwkeurigste massa-verdeling tot nu toe van de sterrenstelsels in kwestie.

Het was daarna de kunst om de hoeveelheid (zichtbare) massa in de sterrenstelsel langs de snelheidscurves te leggen; en wat bleek? De snelheid waarmee de sterrenstelsels op een bepaalde afstand van hun centrum draaien, blijkt keurig in relatie te staan met de hoeveelheid materie op die plek. Waar veel materie is, is de draaisnelheid hoger. Dat klinkt erg logisch, want een zwaarder sterrenstelsel kan ook sneller ronddraaien zonder uit elkaar te vliegen. Opmerkelijker is dat de astronomen vonden dat zowel dwergsterrenstelsels als reusachtige spiraalstelsels zich aan deze relatie houden.

Verschillende hoeveelheden donkere materie

De huidige theorieën gaan ervan uit dat de verdeling van donkere materie erg verschilt van die van de zichtbare materie en bovendien sterk afhankelijk is van het soort sterrenstelsel. In een groot spiraalstelsel met honderden miljarden sterren zit relatief meer gewone materie dan in een dwergsterrenstelsel met hoogstens een paar miljard sterren. “De resultaten van dit onderzoek zeggen eigenlijk dat de relatieve hoeveelheid donkere materie nauwelijks uitmaakt voor de dynamica van een stelsel, en dat is onverwacht”, zegt De Blok.

Maar wat is er dan aan de hand? Donkere materie zou volgens de meeste theorieën alleen met gewone materie moeten reageren via de zwaartekracht, en ongevoelig moeten zijn voor bijvoorbeeld druk of magnetische velden. “Het mag als het ware niets weten van de ‘verdeling’ van de overige materie”, zegt De Blok, “maar dat lijkt nu wél aan de hand te zijn. Misschien zijn er dus koppelingen in stelsels die we in de huidige theorie niet vangen.”

Alternatieve zwaartekracht

Er is ook nog een derde optie. Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde van de Universiteit van Amsterdam laat weten dat dit onderzoek aansluit op een bestaande theorie. “Dit is eigenlijk weer de zogenoemde Milgrom-curve, maar dan in een nieuw jasje.” De Israëlische wetenschapper Mordehai Milgrom kwam in de jaren tachtig met een alternatieve theorie waarmee hij bewegingen van sterrenstelsels probeerde te verklaren. Hij ging uit van een aangepaste zwaartekrachttheorie, en kreeg daarvoor behoorlijk wat kritiek over zich heen van de rest van de natuurkundige gemeenschap. Verlinde: “Ik kende dit nieuwe onderzoek nog niet, maar het is in ieder geval in overeenstemming met de theorie die ik zelf ontwikkel.”

Donkere materie van tafel?

De Blok vindt het verband dat McGaugh en collega’s hebben gevonden intrigerend, ook al is het niet helemaal nieuw. “Ik ken hem, en dit resultaat was al een aantal jaar bekend, zij het gebaseerd op minder nauwkeurige gegevens”, zegt De Blok.

“Wat de onderzoekers nu hebben gedaan is het staven met accurate data. De grote vraag is hoe we het kunnen verklaren. Een optie is dat de vorming van sterren en krachtige explosies zoals supernova’s minder invloed hebben op de draaiing van sterrenstelsels dan we nu denken. Deze effecten zouden namelijk voor verschillen moeten zorgen tussen een groot en ‘actief’ sterrenstelsel en een dwergsterrenstelsel. Iets wat McGaugh nu dus ontkracht.”

Maar waarom stappen we niet helemaal af van de theorie van donkere materie? Dat zou theoretici wellicht een hoop ellende schelen. Maar dat gaat De Blok te ver. “We hebben vooralsnog echt iets ‘extra’s’ nodig om de dynamica van sterrenstelsels te kunnen doorgronden. In veel sterrenstelsels is soms wel meer dan tien keer het gewicht van de zichtbare materie nodig om de draaisnelheid te verklaren. Dit is niet op te lossen met nog onontdekte gewone materie, donkere materie blijft dus essentieel.”

Bron