Hubble laat zien dat sommige sterrenstelsels inderdaad donkere materie missen

Het ultrazwakke sterrenstelsel NGC1052-DF2. Credit: NASA, ESA, Z. Shen and P. van Dokkum (Yale University), and S. Danieli (Institute for Advanced Study)

De laatste metingen aan de afstand van het ultra-lichtzwakke sterrenstelsel NGC1052-DF2 (DF2) laten zien dat deze inderdaad een merkwaardig gebrek aan donkere materie heeft, de mysterieuze materie die normaal zo’n 80% van alle materie in het heelal vormt. Metingen met de Hubble ruimtetelescoop laten zien dat die afstand 22,1 +/-1,2 megaparsec bedraagt, zeg ruim 72 miljoen lichtjaar. Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van Zili Shen, Pieter van Dokkum (Yale University) en Shany Danieli (Institute for Advanced Study) heeft er welgeteld veertig rondjes van Hubble om de aarde plus een “tip of the red giant branch” (TRGB) analyse voor nodig gehad om die afstand exact te berekenen. Die afstandsmeting van UDG’s (ultra-diffuse galaxies) zoals NGC1052-DF4 (DF4) en DF2 is cruciaal, want voor de beantwoording of ze een gewone hoeveelheid donkere materie bevatten of een afwijkende hoeveelheid is die precieze afstand nodig. Eerder werden DF2 en DF2 bestudeerd met de Dragonfly Telephoto Array (DFA) en met behulp van die waarnemingen kon Van Dokkum berekenen hoe hard bolvormige sterrenhopen om de sterrenstelsels vliegen. Die snelheid wees er toen op dat DF2 en DF4 bijna geen donkere materie bevatten. Maar stel dat de afstand tot DF2 en DF4 niet klopt, dan klopt ook de meting niet van de bolhopen om de stelsels en daarmee de schatting van de hoeveelheid donkere materie. Alles hangt dus af van die afstand. Wat blijkt: de Hubble-resultaten geven aan dat de sterrenstelsels iets verder weg liggen dan eerder werd gedacht, wat het bewijs versterkt dat ze weinig tot geen donkere materie bevatten. Voor de beweging van de sterren en bolhopen in en om DF2 was alleen de zichtbare massa voldoende, er was geen noodzaak tot donkere materie om de berekeningen kloppend te krijgen. De afstandsmeting werd ondersteund met de TRGB-methode, waar ik eerder over blogdeHier het vakartikel over de metingen aan DF2, op 9 juni verschenen in Astrophysical Journal Letters (hier de ArXiv versie). Bron: IAS.

Extreme getijdewerking kan inderdaad dwergstelsels zonder donkere materie opleveren

Met Hubble gemaakte foto van het dwergstelsel DF2. Credit: NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University) • CC BY 4.0

Enkele jaren terug werden door een team van sterrenkundigen onder leiding van Pieter van Dokkum (Yale University) twee ultralichtzwakke dwergstelsels gevonden, DF2 en DF4 geheten (DF staat voor ‘Dragonfly’, de telescoop waarmee de waarnemingen zijn gedaan), die bijna geen donkere materie hebben. En dat was vreemd, want in theorie zouden alle sterrenstelsels, groot en klein, donkere materie moeten bevatten, de mysterieuze onzichtbare vorm van materie, die niet reageert met gewone materie (behalve via de zwaartekracht) en die 85% van alle materie in het heelal vormt. Donkere materie vormt de ruggegraat van de sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels en daarom zou je verwachten dat DF2 en DF4 ook donkere materie zouden moeten bevatten. Een team van sterrenkundigen van de Universiteit van Californië in Riverside heeft nu via simulaties ontdekt dat dwergstelsels zonder donkere materie wel degelijk kunnen ontstaan en dat het niet schuurt met het heersende ΛCDM model van het heelal, het model dat de aanwezigheid van donkere energie (Λ) en donkere materie (CDM, cold dark matter) veronderstelt. Voor de simulaties maakten ze gebruik van het bekende Illustris simulatiemodel en dat leverde het inzicht op dat dwergstelsels, zoals DF2 en DF4, aanvankelijk wel donkere materie bvatten, maar dat ze door extreme getijdewerking hun donkere materie kunnen kwijtraken. In het geval van DF2 en DF4 is die getijdewerking veroorzaakt door het nabijgelegen grote sterrenstelsel NGC 1052. Via ‘tidal stripping’, dat is de extreme getijdewerking onder invloed van de zwaartekracht, kunnen dwergsterrenstelsels wel 90% van hun voorraad donkere materie kwijtraken. Een andere uitkomst van de simulatie is dat de dwergstelsels door die getijdewerking ook ultralichtzwak kunnen worden – twee vliegen in één klap dus. Hier het vakartikel over de simulatie van dwergstelsels, dat gepubliceerd is in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Eurekalert.

Wat berichten van het donkere materiefront

In kleinere stelsels zoals je links ziet lijkt donkere materie niet erg samen te klonteren. Maar in grotere systemen zoals clusters is dat wel het geval. Hoe komt dat? Zie het vierde en laatste bericht hieronder. Credit: Kavli IPMU – Kavli IPMU, NASA, STScI)

Even wat nieuwsberichten van de laatste tijd die over donkere materie gaan en waar ik even niet aan toe gekomen was erover te schrijven:

  • Vers van de pers (vandaag) het bericht dat natuurkundigen van het MIT er niet in zijn geslaagd om axionen te detecteren, een hypothetisch licht deeltje, dat volgens bepaalde modellen (een deel van de) donkere materie zou kunnen vormen. Als ze bestaan dan zouden ze een miniem effect moeten hebben op electriciteit en magnetisme, maar dat effect is niet waargenomen. De metingen van het zogeheten ABRACADABRA onderzoek geven aan dat axionen in het massabereik tussen 0,31 en 8.3 nanoelectronvolt niet kunnen bestaan, da’s pakweg één kwintiljoenste deel van de massa van een proton. Ze bestaan dus niet óf de theoretische modellen over dat effect op electriciteit en magnetisme kloppen niet en dan moeten ze weer terug naar de tekentafel. Bron: Eurekalert.
  • Credit: ESO/WFI (OPTICAL), MPIFR/ESO/APEX/A. WEISS ET AL. (SUBMILLIMETER), NASA/CXC/CFA/R. KRAFT ET AL. (X-RAY)

    Dan is er weer een andere groep Russische, Finse en Amerikaanse onderzoekers, die gekeken hebben naar actieve kernen van sterrenstelsels, zoals Centaurus A (zie de afbeelding hierboven). Theoretische modellen van donkere materiedeeltjes geven aan dat ze een massa moeten hebben ergens tussen 10^-26 tot 10^14 keer de massa van het elektron, een enorm groot massabereik van maar liefst 40 ordes van grootte. De onderzoekers richten zich op de ultralichte deeltjes, die in zeer grote getale in het heelal moeten voorkomen áls ze de donkere materie vormen. De ultralichte deeltjes zouden zich dan als een veld moeten gedragen en dat zou met een bepaalde periode moeten oscilleren. Die oscillatie zou van invloed moeten zijn op het licht dat we van die actieve kernen zien, maar die invloed is dus niet waargenomen. Helaas pindakaas, alweer. Bron: Eurekalert.

  • We kenden al DF2, het ultradiffuse dat géén donkere materie lijkt te bevatten, gelegen vlakbij het elliptische stelsel NGC 1052. Maar nou is er een tweede ultradiffuus stelsel gevonden dat óók geen donkere materie bevat en het ligt ook nog eens in de buurt van DF2. Hoe ‘ie heet? DF4 (dat DF staat voor de Dragonfly Telescope Array, waarmee ze zijn waargenomen). Ik schreef er eerlijk gezegd al ruim twee maanden geleden over, maar vorige week verschenen er twee artikelen over in The Astrophysical Journal Letters – deze en deze en daarom heeft het weer de aandacht. Hieronder een foto waarop je DF2, DF2 en NGC 1052 ziet.

    Credit: P. VAN DOKKUM (YALE UNIVERSITY)/STScI/ACS

    Bron: Keck Observatorium.

  • Dan het laatste DM-bericht van vandaag: onderzoekers uit Japan, Duitsland en Oostenrijk hebben een mogelijke verklaring gevonden voor het feit dat donkere materie niet goed samenklontert in kleine sterrenstelsels, terwijl grote systemen zoals clusters van sterrenstelsels juist sterke concentraties van donkere materie vertonen. Het zou wel eens te maken kunnen hebben met… de snelheid van de deeltjes donkere materie. In de meeste gevallen reageren de deeltjes niet op elkaar, maar bij een bepaalde snelheid zou dat wel kunnen, dan zouden ze resoneren en heel even bij elkaar blijven. In de dwergstelsels zou hun snelheid zo laag zijn dat ze afketsen, verstrooien en niet samenklonteren, maar in zware systemen als clusters zou hun snelheid hoog genoeg zijn om te te laten resoneren en dan zouden ze een grotere dichtheid hebben, zoals ook waargenomen. Met de nog te bouwen Prime Focus Spectrograph, die gekoppeld zal gaan worden aan de Subaru telescoop  op Hawaï, willen ze idee in de toekomst gaan meten. Bron: Kavli.