Weinig donkere materie in vroege sterrenstelsels

In het vroege universum was donkere materie een stuk minder invloedrijk. Dat concluderen onderzoekers na het bestuderen van een aantal verre sterrenstelsels. In de tijd dat de meeste sterrenstelsels zich vormden, zo’n tien miljard jaar geleden, draaiden ze namelijk een stuk langzamer dan nu het geval is.

door

Astronomen begrijpen wel min of meer hoe spiraalvormige sterrenstelsels zoals onze Melkweg werken. De verzamelingen van soms wel honderden miljarden sterren draaien gestaag rondjes om een heldere en gasrijke kern. Als een immense wolk om het stelsel heen zit een nog veel grotere hoeveelheid donkere materie. Die is niet zichtbaar maar beïnvloedt wel de buitenste delen van het sterrenstelsel: het genereert extra zwaartekracht waardoor sterren er veel sneller bewegen zónder uit het sterrenstelsel te vliegen.

Het lijkt er nu op dat sterrenstelsels in het veel vroege universum, pakweg zo’n tien miljard jaar geleden, anders werkten: donkere materie lijkt er nauwelijks grip op te hebben. Wetenschappers uit onder andere Duitsland en de Verenigde Staten namen een aantal verre en heldere sterrenstelsels onder de loep. Ze vonden dat de buitenste regionen van die stelsels veel langzamer draaien dan bij nabije stelsels het geval is. Ze bewegen eigenlijk precies zoals je verwacht dat een sterrenstelsel zónder donkere materie draait.

Rotatiekromme universum

De gemiddelde rotatiesnelheden van sterrenstelsels in het nabije universum (links) en in het verre universum. In het nabije universum is de draaisnelheid van materie in de buitenste regio’s van sterrenstelsels nagenoeg gelijk aan die van de kern (zie grafiek). Dit wordt verklaard met de aanwezigheid van grote hoeveelheden donkere materie aan de rand van sterrenstelsels. Dit effect lijkt niet te bestaan in het verre universum. Stelsels op miljarden lichtjaren afstand hebben buitenregionen die veel langzamer ronddraaien (grafiek). Hier zou donkere materie nauwelijks invloed hebben. ESO via CC BY 3.0

De wetenschappers concluderen dat donkere materie minder dominant was in de tijd dat de meeste sterrenstelsels ontstonden, tien miljard jaar geleden, zo’n vijf miljard jaar na de oerknal. Ook het feit dat de materie in stelsels chaotischer bewoog droeg volgens de onderzoekers bij aan de relatief lage randsnelheid van sterrenstelsels. De resultaten van het onderzoek werden deze week onder andere in het wetenschappelijke tijdschrift Nature gepubliceerd.

Waterstoflijn

De wetenschappers gebruikten de Europese Very Large Telescope in Chili om een verzameling van honderden sterrenstelsels onder de loep te nemen. De verschillende stelsels staan op een afstand van tussen de acht en elf miljard lichtjaar. Op die afstand zijn sterrenstelsels nauwelijks meer dan een stipje aan de hemel. Toch kon van zes stelsels een snelheidsprofiel gemaakt worden waarop bewegingen van de aanwezige sterren en het gas aangegeven zijn.

Barnard 33

De paardenkopnevel tekent zich af tegen een rode achtergrond, veroorzaakt door straling van waterstof, de zogenoemde H-alfalijn. Ken Crawford via CC BY-SA 3.0

De onderzoekers maakten dankbaar gebruik van door waterstof uitgezonden straling, de zogenoemde H-alfalijn. Waterstof, het meest voorkomende element in gaswolken van sterrenstelsels, verraadt zich vaak door een relatief helderrode gloed. Subtiele afwijkingen in de kleur van die gloed (als gevolg van een zogenoemde ‘dopplerverschuiving’) geven een beeld van de snelheden van materie in de zes sterrenstelsels.

Reinhard Genzel laat in een persbericht weten: ‘Verrassend genoeg nemen de rotatiesnelheden in de sterrenstelsels naar buiten toe af. Dat heeft waarschijnlijk twee oorzaken. Allereerst worden de meeste van deze vroege zware sterrenstelsels gedomineerd door normale materie, en speelt donkere materie een veel kleinere rol dan in het lokale heelal. Op de tweede plaats waren de schijven van deze vroege stelsels veel turbulenter dan de spiraalstelsels die we in onze kosmische nabijheid zien.’

Sterrenstelsels vormen

Een mooi resultaat, maar is het aantal van zes sterrenstelsels niet wat klein om conclusies te kunnen trekken? Koen Kuijken, professor aan de Sterrewacht Leiden, denkt van niet. “Deze sterrenstelsels doen echt wat anders dan we in het lokale heelal zien. Bovendien hebben de onderzoekers ook opnames van zo’n honderd zwakkere stelsels kunnen combineren tot bruikbare data, en ook dat ligt in lijn van de ontdekking. Er is duidelijk wat aan de hand.”

Dark matter millenium simulation thumb 500x283 68528

In de zogenoemde Millenium-simulatie rekenden wetenschappers in 2005 met een Duitse supercomputer uit hoe het universum eruit zou zien als er donkere materie en energie zouden zijn. De resultaten, een draadachtige verdeling van alle materie, komt verrassend goed overeen met de werkelijke verdeling. Millenium Simulation, MPA Garching, V. Springel, S. White et al.

Er hoeven volgens Kuijken geen modellen compleet op de schop. De ontdekking levert wel cruciale inzichten over hoe sterrenstelsels zoals de Melkweg zich miljarden jaren geleden vormden, een proces waar de details nog niet van bekend zijn. Kuijken legt uit dat het universum waarschijnlijk begon met een vrij egale verdeling van donkere en gewone materie. Nadat de donkere materie samenklonterde, trokken die samenballingen op hun beurt zichtbare materie aan. “Op de plekken waar zich veel gewone materie bevond zijn uiteindelijk sterrenstelsels ontstaan”, zegt hij.

“Deze ontdekking laat zien dat de sterrenstelsel waarschijnlijk in het hart van die samenklonteringen ontstonden zónder interactie met de donkere materie”, zegt Kuijken. “Pas later is er in de buitendelen voornamelijk donkere materie bijgekomen die nu de draaisnelheid van sterrenstelsels beïnvloedt. Dit is precies de situatie die we in het lokale universum zien.”

Bron

  • Genzel R. et al., Strongly baryon-dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago, Nature (15 maart 2017), DOI:10.1038/nature21685