Fragment uit een simulatie van klompen donkere materie in de halo van een sterrenstelsel. Credit: Shea C. Garrison-Kimmel / ELVIS
Steinhardt et al. (2016) kwam er als eerste mee aan: “The Impossibly Early Galaxy Problem”. In een notendop: volgens het gangbare ΛCDM model van het heelal zou structuur in de materie hierarchisch zijn, d.w.z. dat er eerst kleine sterrenstelsels zouden zijn, die vervolgens via botsingen en samensmeltingen zouden groeien tot grote stelsels. Je zou dan dus verwachten dat er in het vroege heelal, zeg meer dan acht miljard jaar geleden (het heelal is 13,8 miljard jaar oud), vooral veel kleine stelsels moeten voorkomen en in het huidige heelal veel grote stelsels. Maar wat zien we in de waarnemingen: dat er óók in het vroege heelal al grote sterrenstelsels voorkomen, stelsels met een superzwaar zwart gat in het centrum, iets dat ook al buiten de verwachting valt van het concordantie ΛCDM model, het model dat uitgaat van het bestaan van donkere energie (Lambda, Λ) en koude donkere materie (Engels: CDM). Hieronder de grafiek die het Onmogelijke Vroege Sterrenstelselsprobleem laat zien. In een heelal met een hierarchische structuurvorming zouden de punten (de waargenomen lichtkrachtfuncties van sterrenstelsels) de lijnen (de voorspelde lichtkrachtfuncties van sterrenstelsels) met dezelfde kleur moeten volgen.
Credit: Steinhardt et al. (2016)
Maar je ziet ’t: de punten volgen de lijnen met dezelfde kleur niet, de stelsels zijn lichtsterker dan gedacht, al groot bij grote roodverschuivingen (hoe groter de roodverschuiving z, des te verder de afstand, verder terug in de tijd). En da’s niet het enige probleem. Oók de clusters van sterrenstelsels in het vroege heelal waren groter dan voorspelt, aldus onderzoek van Jay Frank. Kortom, sterrenstelsels in het vroege heelal waren groter dan voorspelt, zwarte gaten in de centra van die stelsels waren groter dan voorspelt en de clusters waarin de stelsels groepeerden waren ook groter dan voorspelt.
Nou wil het geval dat er een alternatief is voor ΛCDM en dat is MOND, de modified Newtonian Dynamics, oorspronkelijk van Mordehai Milgrom uit 1981. MOND stelt dat donkere materie, de CDM uit het concordantiemodel, niet bestaat, maar dat de zwaartekrachtswetten van Newton iets moeten worden aangepast. In 1998 publiceerde Bob Sanders dit vakartikel, waarin hij op grond van MOND betoogde dat er in het vroege heelal eerst grote sterrenstelsels moeten ontstaan en pas dáárna de grootschalige structuren van clusters. De zogeheten L* sterrenstelsels, gemiddelde sterrenstelsels zoals onze Melkweg er eentje is, zouden al 500 miljoen jaar na de oerknal kunnen zijn ontstaan.
MOND heeft ook zijn nadelen, zoals de onlangs voorgestelde variant RelMOND laat zien, die weliswaar de pieken in de CMB kan verklaren, de pieken in het powerspectrum van de kosmische achtergrondstraling, maar in plaats van donkere materie hanteren ze dan ‘zwaartekrachtmodificerende velden’ en worden er aan de zes basisparameters van ΛCDM nog vijf extra toegevoegd. Tsja, of dat de modellen dan aannemelijker maakt vraag ik mij af, ik ben nog altijd voorstander van het scheermes van Ockham.
Credits: NASA, J. Olmsted (STScI)
Kortom, er ligt een groot probleem in het vroege heelal, het “Onmogelijke Vroege Sterrenstelselsprobleem” en dat vraagt om een oplossing. En dat is waar Webb om de hoek komt kijken, voluit de James Webb Space Telescope, die zich nu aan het uitvouwen is en die ergens in juni als alles goed gaat z’n eerste wetenschappelijke waarnemingen gaat doen. Webb gaat vooral kijken in het nabije en midden-infrarood van het elektromagnetisch spectrum (zie de afbeelding hierboven, waarin ook het venster te zien is waarin Hubble kijkt). Dat maakt Webb dé ideale telescoop om sterrenstelsels uit het vroege heelal waar te nemen, omdat hun licht door de uitdijing van het heelal verschoven is naar het infrarode deel van het spectrum. Hopelijk gaat Webb ons dus meer veertellen over de aard van die eerste sterrenstelsels en of er een mogelijke oplossing is voor het Onmogelijke Vroege Sterrenstelselsprobleem. Maar da’s nog niet alles. Er staan namelijk meer problemen te rammelen op de poorten van het ΛCDM-gebouw, de Hubble-spanning over de expansiesnelheid van het heelal en de σ8-spanning over de mate waarin materie aan elkaar klontert. Afijn, we kijken met spanning uit naar de eerste waarnemingen van Webb in het najaar!
Bron: Triton Station.
