Donkere materie is misschien toch niet helemaal donker

Hubble-foto van de cluster Abell 3827. Credit:ESO

Mogelijk is voor het eerst waargenomen hoe donkere materie, anders dan via de zwaartekracht, andere donkere materie beïnvloedt. Waarnemingen van botsende sterrenstelsels, verricht met ESO’s Very Large Telescope en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA, hebben de eerste intrigerende aanwijzingen opgeleverd over de aard van deze mysterieuze component van het heelal.
Met behulp van het MUSE-instrument van ESO’s VLT in Chili, en beelden van de om de aarde cirkelende Hubble-telescoop, heeft een team van astronomen de gelijktijdige botsing tussen vier sterrenstelsels in de cluster Abell 3827 onderzocht. Het team heeft kunnen traceren waar in dit systeem zich de massa bevindt, en vervolgens de verdeling van de donkere materie vergeleken met de posities van de heldere sterrenstelsels.

Hubble-foto van de cluster Abell 3827, waarop de verdeling van de donkere materie te zien is. Credit:ESO/R. Massey

Hoewel donkere materie niet te zien is, heeft het team met behulp van de zogeheten zwaartekrachtlenstechniek de locatie ervan kunnen afleiden. Bij toeval speelde de botsing zich recht voor een veel verder verwijderd, ongerelateerd object af. De massa van de donkere materie rond de botsende sterrenstelsels vervormt de ruimtetijd, waardoor de lichtstralen van het verre achtergrondstelsel op allerlei manieren worden afgebogen. Daardoor wordt het beeld van het stelsel vervormd tot karakteristieke boogjes.

Volgens onze huidige inzichten bevinden alle sterrenstelsels zich in een omhulsel van donkere materie. Zonder de bindende werking van de zwaartekracht die de donkere materie uitoefent zouden sterrenstelsels zoals onze Melkweg door hun draaiing uit elkaar vallen. Dat dit niet gebeurt, is alleen verklaarbaar als 85 procent van alle massa in het heelal [1]Astronomen hebben ontdekt dat de totale hoeveelheid massa en energie in het heelal voor 68% bestaat uit donkere energie, voor 27% uit donkere materie en voor 5% uit ‘normale’ materie. Het … Continue reading uit donkere materie bestaat. Maar waar deze materie uit bestaat is nog steeds een raadsel.

Bij dit onderzoek hebben de wetenschappers de vier botsende sterrenstelsels waargenomen en ontdekt dat één van de omhulsels van donkere materie achterloopt bij het sterrenstelsel dat het omsluit. De achterstand op het stelsel bedraagt momenteel 5000 lichtjaar (50.000 miljoen miljoen kilometer – de NASA-ruimtesonde Voyager zou er 90 miljoen jaar over doen om die afstand te overbruggen.

Naar verwachting ontstaat zo’n achterstand tussen een sterrenstelsel en de bijbehorende donkere materie wanneer de donkere materie zichzelf beïnvloedt, hoe weinig ook, middels andere krachten dan de zwaartekracht [2]Computersimulaties laten zien dat de extra wrijving van de botsing ervoor zou zorgen dat de donkere materie afremt. De aard van die interactie is onbekend: ze kan het gevolg zijn van reeds bekende … Continue reading. Nog nooit is waargenomen dat donkere materie anders dan via de zwaartekracht interacties aangaat.

Hoofdauteur Richard Massey van Durham University legt uit: ‘We gingen er altijd van uit dat donkere materie zich nergens iets van aantrekt, behalve van zijn eigen zwaartekracht. Maar als donkere materie echt wordt afgeremd tijdens deze botsing, zou dat het eerste bewijs kunnen zijn dat de donkere sector’ – het verborgen heelal dat ons omringt – een rijke fysica kent.’

De onderzoekers merken op dat nog onderzocht moet worden welke andere effecten deze vertraging zouden kunnen veroorzaken. Er zullen soortgelijke waarnemingen van meer sterrenstelsels en computersimulaties van galactische botsingen moeten worden uitgevoerd.

Teamlid Liliya Williams van de Universiteit van Minnesota voegt daaraan toe: ‘We weten dat donkere materie bestaat, dankzij de gravitationele wisselwerking die zij vertoont. Maar we weten nog beschamend weinig over wat donkere materie nu eigenlijk is. Onze waarneming suggereert dat donkere materie wellicht ook interacties aangaat via andere krachten dan de zwaartekracht. En dat zou betekenen dat we enkele cruciale theorieën over de aard van de donkere materie kunnen uitsluiten.’

Dit resultaat volgt op een recent resultaat van het team, dat 72 botsingen tussen clusters van sterrenstelsels heeft waargenomen [3]Clusters bestaan uit tot wel duizend afzonderlijke sterrenstelsels. en daarbij heeft vastgesteld dat donkere materie vrijwel geen interacties met zichzelf aangaat. Het nieuwe onderzoek heeft echter geen betrekking op de clusters als geheel, maar op de bewegingen van afzonderlijke sterrenstelsels. De onderzoekers zeggen dat de botsing tussen deze stelsels mogelijk langer heeft geduurd dan de botsingen die in het eerdere onderzoek zijn waargenomen – lang genoeg om zelfs een kleine wrijvingskracht de kans te geven om mettertijd een meetbare achterstand te veroorzaken [4]De grootste onzekerheid in het resultaat is de duur van de botsing: de wrijving die de donkere materie heeft afgeremd kan een heel zwakke kracht zijn geweest die ongeveer een miljard jaar zijn werk … Continue reading.

Het centrum van van Abell 3827. Credit: ESO

Tezamen stellen de beide onderzoeken voor het eerst grenzen aan het gedrag van donkere materie. De interacties van donkere materie zijn sterker dan dit, maar zwakker dan dat. ‘Eindelijk hebben we de donkere materie waar we haar hebben willen: in de bankschroef van onze kennis‘, aldus Massey. Bron: ESO.

References[+]

References
1 Astronomen hebben ontdekt dat de totale hoeveelheid massa en energie in het heelal voor 68% bestaat uit donkere energie, voor 27% uit donkere materie en voor 5% uit ‘normale’ materie. Het getal van 85% heeft betrekking op het deel van de ‘materie’ dat donker is.
2 Computersimulaties laten zien dat de extra wrijving van de botsing ervoor zou zorgen dat de donkere materie afremt. De aard van die interactie is onbekend: ze kan het gevolg zijn van reeds bekende effecten, maar ook van een exotische, onbekende kracht. Op dit moment weten we alleen dat het niet de zwaartekracht is. Het is mogelijk dat alle vier de stelsels van hun donkere materie gescheiden zijn. Maar we hebben van slechts één stelsel een heel goede meting, omdat dit bij toeval precies voor een ver achtergrondobject staat. Bij de andere drie stelsels staan de ‘boogjes’ verder weg, waardoor zich niet goed laat vaststellen waar de donkere materie zich bevindt.
3 Clusters bestaan uit tot wel duizend afzonderlijke sterrenstelsels.
4 De grootste onzekerheid in het resultaat is de duur van de botsing: de wrijving die de donkere materie heeft afgeremd kan een heel zwakke kracht zijn geweest die ongeveer een miljard jaar zijn werk heeft gedaan, of een relatief sterke kracht die ‘maar’ 100 miljoen jaar heeft gewerkt.

4e waarneemnacht op Grand Champ

Terwijl ik dit stukje schrijf is het nacht en zit mijn telescoop al weer voor de 4e nacht te ‘zoemen’, gericht op een heldere hemel in de Provence. Vanuit mijn tentje naast de telescoop kan ik prima alles bedienen en even een oogje dichtknijpen als het even te vermoeiend wordt.

Dit is de eerste keer dat ik mee ga op Astrovakantie (Astrovacance zoals dat bij Christiaan Huygens heet) en ik had hier nog geen ervaring mee. Ik moet zeggen dat het me tot zover prima bevalt. Het is vermoeiend maar leuk. Een aparte ervaring. Ik ben natuurlijk wel heel erg positief