Credit: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team STScI/AURA) –
Ons Melkwegstelsel is een zogeheten balkspiraalstelsel, een sterrenstelsel dat net als spiraalstelsels spiraalarmen bezit, maar waarbij deze niet van het centrum lijken te komen, maar vanuit een “balk” die door het centrum gaat. Hierboven zie je een mooi voorbeeld van een balkspiraal, NGC 1300. Naast de zichtbare materie van gas en sterren in de balk en spiraalarmen van de balkspiraalstelsels is er een boel verborgen materie, de welbekende donkere materie. We zien die weliswaar niet, maar vele indirecte aanwijzingen, zoals de vlakke rotatiecurven van het gas en de sterren maakt duidelijk dat er veel meer materie moet zijn dan we zien. Hét heelalmodel dat die donkere materie als essentieel onderdeel ziet is het standaardmodel van het heelal, het ΛCDM model, het ‘concordantiemodel’ dat er van uit gaat dat er donkere energie (Λ) is die zorgt voor de versnelde uitdijing van het heelal en koude donkere materie (Engels: CDM), die zorgt voor de ontbrekende materie. Recent zijn ze echter op een probleem gestuit: de balken van de balkspiraalstelsels bewegen niet conform het ΛCDM model. In dat model wordt er vanuit gegaan dat de donkere materie niet, zoals de gewone materie, in een platte schijf zit, maar dat het in een grote bolvormige halo rondom het stelsel zit, zoals in de voorstelling hieronder weergegeven.
Voorstelling van donkere materie in de halo om de Melkweg. Credit: Wikipedia.
Zo’n halo van donkere materie heeft wel gevolgen voor de balk van de balkspiraalstelsels. Donkere materie heeft net als gewone materie zwaartekracht en de balk zal de invloed van de halo van donkere materie via de zogeheten ‘dynamische wrijving’ ook voelen. Is er geen halo van donkere materie dan is er ook geen invloed, zoals hieronder op een leuke manier is geïllustreerd. Een balk mét omringende halo van donkere materie zal trager bewegen dan een balk zonder zo’n halo.
Credit: Elena Asencio
Wat hebben ze nu gedaan: Mahmood Roshan (University of Mashhad) en z’n collega’s hebben van een verzameling balkspiraalstelsels eerst de straal gemeten waarmee de balk beweegt met dezelfde cirkelsnelheid als de sterren voorbij de balk (de zogeheten ‘co-rotatiestraal’). Vervolgens vergelijken ze dat met de straal van de balk zelf, een verhouding die de ℜ parameter heet (zie de grafiek hieronder). Als het effect van dynamische wrijving op de balken verwaarloosbaar is, zal de co-rotatieradius praktisch gelijk zijn aan de straal van de balk. Als er echter dynamische wrijving in de balk is die wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van donkere materie, dan zal de patroonsnelheid (dat is de cirkelsnelheid gedeeld door de straal) van de balk langzamer zijn en daarom zal de co-rotatiestraal groter zijn dan de straal van de balk. Vervolgens gingen ze de waargenomen snelheid van de balken vergelijken met de voorspellingen van verschillende simulaties van het heelal, allemaal gebaseerd op het ΛCDM model.
Credit: Mahmood Roshan et al.
Hierboven zie je het resultaat. In de zwarte ellips links staat hetgeen de waarnemingen laten zien aan snelheid van de balken, in de gekleurde ellipsen en cirkels rechts staan de voorspellingen volgens diverse simulaties. Duidelijk is dat er een groot verschil is tussen de waargenomen snelheid van de balken en de voorspellingen, de balk zou volgens de voorspellingen een stuk langzamer moeten gaan dan wat er daadwerkelijk is waargenomen. Bovendien maken de waarnemingen duidelijk dat in balkspiraalstelsels de verhouding ℜ tussen de co-rotatie en de straal van de balk ongeveer één is, precies zoals verwacht van een systeem waarin er geen significante dynamische wrijving is van donkere materie. Kortom, werk aan de winkel voor de theoretici van het ΛCDM model, hetgeen eerder ook al bleek uit andere vraagstukken, zoals de Hubble spanning. Hier het vakartikel over het onderzoek aan de balkspiraalstelsels, te verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Astrobites.
