Donkere materie nog ongrijpbaarder dan gedacht

Een optisch beeld van het sferische dwergsterrenstelsel in de Beelhouwer (links) naast een illustratie van de verwachte gammastraling afkomstig van verdwijnende donkere materie (rechts). Beeld links: Giuseppe Donatiello. Achtergrond beeld rechts: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration.

Donkere materie is nog ongrijpbaarder dan voorheen werd gedacht. Dat is de belangrijkste conclusie van een nieuwe studie door een groep wetenschappers onder wie Shin’ichiro Ando van het UvA-Institute of Physics. De resultaten van de nieuwe studie zijn deze week gepubliceerd in Physical Review D Rapid Communications. De ware aard van donkere materie blijft een van de grootste mysteries uit de natuurkunde. Of deze onzichtbare materie in het heelal bestaat uit elementaire deeltjes, en zo ja, van welke soort, is nog altijd een onbeantwoorde vraag.

Van oerknal tot nu
De aard van donkere materie zou mogelijk achterhaald kunnen worden door te zoeken naar zwakke signalen die ontstaan wanneer paren van donkeremateriedeeltjes botsen en elkaar vernietigen. Zulke deeltjesparen verdwijnen dan en zetten hun energie om in gammastraling, die waargenomen zou kunnen worden. Sferische dwergsterrenstelsels – kleine satellietstelsels die gevangen worden gehouden in het zwaartekrachtsveld van onze Melkweg – behoren tot de best mogelijke bronnen voor een dergelijke zoektocht. Dwergsterrenstelsels bevatten veel donkere materie en weinig anders, waardoor het ongerepte laboratoria zijn voor eventuele signalen die donkere materie uitzendt, vrijwel zonder storing van andere astronomische verschijnselen.

Om hun zoektocht uit te voeren combineerden de wetenschappers theoretische methodes met waarnemingen, om zo de eerste ‘end to end’-analyse te maken die de dwergsterrenstelsels in hun kosmische context modelleert.

Shin’ichiro Ando, van het UvA-Institute of Physics: “Onze methode begint bij de oerknal en volgt de evolutie van donkere materie en de groei van sterrenstelsels in de loop van de tijd. We gebruiken dat als basis om beter te begrijpen hoe donkere materie verdeeld is binnen de dwergsterrenstelsels die we vandaag de dag aan de hemel zien. Dat begrip gebruiken we ten slotte om een zoektocht op te zetten naar signalen van gammastraling, die informatie onthullen over de microscopische eigenschappen van donkeremateriedeeltjes.”

Zwak signaal
Alex Geringer-Sameth, van het Department of Mathematics van Imperial College London: “We waren verbaasd toen we ontdekten dat je echt álle kennis over de eeuwenlange groei en evolutie van het heelal moet meenemen – iets wat eerdere studies niet deden – en dat dat grote invloed heeft op de conclusies die je op basis van de dwergsterrenstelsels in onze directe nabijheid over donkere materie kunt trekken.”

Het team kwam tot de conclusie dat het signaal van verdwijnende donkere materie veel zwakker moet zijn dan tot nu toe werd ingeschat. Eenvoudig gezegd: donkere materie is in dwergsterrenstelsels moeilijker te detecteren dan verwacht. De gammastraling-data vertellen, enigszins tegenintuïtief, minder dan verwacht over donkere materie wanneer de volledige analyse wordt gebruikt. Eén gevolg daarvan is dat donkere materie nog wel een van de grote huidige vraagstukken in de sterrenkunde kan verklaren: de afwijkende en onverklaarde gloed van gammastraling die we uit het centrum van ons eigen Melkwegstelsel zien komen. Tot voor kort leek het heel moeilijk hard te maken dat het verdwijnen van donkere materie wél die straling kon verklaren, maar dat we gelijksoortige signalen níet uit dwergsterrenstelsels zien komen.

De resultaten, deze week gepubliceerd in Physical Review D Rapid Communications, wijzen er dus sterk op dat een van de sleutelstrategieën om donkeremateriedeeltjes te vinden, en mogelijk natuurkunde voorbij het standaardmodel te ontdekken, de nodige aanpassingen zal moeten ondergaan.

Publicatiedetails
Structure formation models weaken limits on WIMP dark matter from dwarf spheroidal galaxies, Shin’ichiro Ando, Alex Geringer-Sameth, Nagisa Hiroshima, Sebastian Hoof, Roberto Trotta en Matthew G. Walker, Phys. Rev. D 102, 061302(R) (2020).

Bron: Universiteit van Amsterdam.

Dwergsterrenstelsels ontdekt met superzware zwarte gaten op een plek waar je ze niet verwacht

Amy Reines (Montana State University). Credit: MSU Photo by Adrian Sanchez-Gonzalez

Je verwacht ’t niet, dwergsterrenstelsels die een superzwaar zwart gat hebben, niet in hun centrum, waar je ze zou verwachten (áls ze al een superzwaar zwart gat hebben), maar ronddolend ergens in de buitengebieden van de dwergstelsels. Een team van sterrenkundigen onder leiding van Amy Reines (Montana State University – zie haar foto hierboven) onderzocht met de Karl G. Jansky Very Large Array, een set radiotelescopen van het National Radio Astronomy Observatory, 111 dwergstelsels binnen een afstand van 1 miljard lichtjaar van de aarde en 13 daarvan bleken van die zwervende superzware zwarte gaten te huisvesten. Niet in hun centrum, zoals bij superzware zwarte gaten in gewone sterrenstelsels het geval is (zoals Sagittarius A* in de kern van ons Melkwegstelsel), maar ergens zwervend in de buitenwijken. Mogelijk dat ze hier hebben waargenomen wat eerder al door Jillian Bellovary (Queensborough Community College in New York) is gepostuleerd op basis van simulaties: dat dwergstelsels wel eens ‘off-center’ superzware zwarte gaten zouden kunnen bevatten als gevolg van gravitationele interacties met andere sterrenstelsels. Het vakartikel “A New Sample of (Wandering) Massive Black Holes in Dwarf Galaxies from High Resolution Radio Observations” werd op 3 januari gepubliceerd in The Astrophysical Journal. Bron: Eurekalert.

De massa van het Melkwegstelsel is 0,96 biljoen keer de zonsmassa

Een deel van de Melkweg en de bekende dwergstelsels Grote en Kleine Magelhaense Wolk. Credit: ESO / Y. Beletsky

Door heel goed met de Hubble ruimtetelescoop te kijken naar negen dwergstelsels rondom de Melkweg zijn sterrenkundigen in staat gebleken om heel precies de massa van de Melkweg te meten. Eerdere schattingen liepen uiteen van 700 miljard tot twee biljoen zonsmassa (1 biljoen=duizend miljard), maar nu is de massa beter bepaald dan ooit: 0,96 biljoen zonsmassa, met een onzekerheid van 30% (da’s in vergelijking met eerdere schattingen een lage onzekerheid). Ekta Patel (University of Arizona) en haar team keken niet naar de snelheid van de negen dwergstelsels, maar naar hun hoekmoment (zie de afbeelding hieronder). Van de Melkweg zijn ongeveer vijftig begeleidende dwergstelsels bekend en men denkt dat er in totaal tussen de 100 en 200 dwergstelsels zijn.

De meetresultaten van de negen waargenomen dwergstelsels. Credit: Patel et al. 2018

De meetresultaten zijn vervolgens vergeleken met computersimulaties van ongeveer 90.000 dwergstelsels, waarin de massa van het Melkwegstelsel gevarieerd kon worden. Hierbij is gebruik gemaakt van de Illustris simulatie van de evolutie van het heelal. Onlangs is met de Gaia satelliet de eigenbeweging van maar liefst 30 dwergstelsels rondom de Melkweg gemeten en Patel en haar team willen gebruikmakend van die gegevens in de toekomst een nog nauwkeuriger schatting van de massa van de Melkweg maken. Een artikel over de schatting van de massa verscheen onlangs in The Astrophysical Journal. Bron: AAS Nova.

Bolhopen Omega Centauri en G1, eigenlijk twee gestripte dwergstelsels

Rechts de bolhoop Omega Centauri, links bolhoop G1. Credit: Palomar Observatory Sky Survey

Zoals gezegd was gisteravond Tjibaria Pijloo te gast bij sterrenkundevereniging Huygens om daar te vertellen over haar onderzoek aan de evolutie van sterclusters. Na afloop stelde ik een vraag aan haar over de invloed van donkere materie op bolvormige sterrenhopen. Ik stelde die vraag omdat bij dwergsterrenstelsels een relatief grote hoeveelheid donkere materie is waargenomen (op indirecte wijze weliswaar, donkere materie is niet zichtbaar) en dwergstelsels qua aantal sterren enigszins lijken op bolhopen. Die invloed blijkt er niet te zijn, maar wel vertelde Pijloo dat de bolhoop Omega Centauri (?Cen, NGC 5139) een uitzondering is. Dat komt omdat deze bolhoop met zijn tien miljoen sterren veel groter is dan de andere bolhopen van de Melkweg en dat het vermoedelijk de overgebleven kern van een dwergstelsel is, dat door gravitationele interactie met de Melkweg van veel sterren is ‘gestript’. Datzelfde lot blijkt ook G1 (alias Mayall II) te hebben ondergaan, een gigantisch grote bolhoop bij het naburige Andromedastelsel (M31), dat ongeveer twee keer zo groot als Omega Centauri is en dat op foto’s van (amateur-) astrofotografen als een klein stipje te zien is.

Credit: Palomar Observatory Sky Survey

Omega Centauri is met een helderheid van +3,7m een geliefd object voor astrofotografen en met die helderheid is ‘ie zelfs met het blote oog zichtbaar. G1 is slechts +13,8m, maar dat komt omdat ‘ie veel verder weg staat dan Omega Centauri – 2,52 miljoen lichtjaar voor G1 om 15.800 lichtjaar voor Omega Centauri. Door een botsing met de Melkweg lang geleden moet het dwergstelsel Omega Centauri van een deel van z’n sterren zijn ontdaan, gestript zoals dat in vaktermen heet. Men vermoedt dat de ster van Kapteyn één van die getripte sterren is, een in de 19e eeuw door onze landgenoot Jacobus kapteyn ontdekte oeroude ster, waar vorig jaar nog twee exoplaneten bij zijn ontdekt. G1 moet hetzelfde lot hebben ondergaan als Omega Centauri, alleen daar was M31 de schuldige. Niet alleen de omvang van G1 en Omega Centauri, maar ook de hoeveelheid metaal die ze bevatten en de meerdere generaties van stervorming die ze gekend hebben doet hun afkomst als voormalig dwergstelsel vermoeden.

Hubble ziet klein sterreneiland gevuld met supersterren

credit: ESA/Hubble & NASA

De Hubble-telescoop heeft een opname gemaakt van het sterrenstelsel SBS 1415+437, een onregelmatig dwergstelsel op een afstand van 45 miljoen lichtjaar. Dit sterrenstelsel is een zogenaamd Wolf-Rayet-sterrenstelsel – dat zijn starburst-stelsels met een ongewoon hoog aantal Wolf-Rayetsterren (een zeldzame categorie van hete en massieve sterren).Dit soort sterren bevatten tientallen zonnemassa’s en een superkrachtige sterrewind – net zoiets als de zonnewind, maar dan van orkaankracht. Als gevolg hiervan verliest zo’n ster bijzonder snel massa – in 100.000 jaar tijd kan een complete zonnemassa aan materiaal weggeblazen worden! Wolf-Rayetsterren zijn ook heet (tot wel 40 keer heter dan de zon) en belachelijk helder – een enkel exemplaar kan evenveel licht afgeven als miljoenen zonnen. Aangezien dit soort sterren zo intens zijn, zijn ze een kort leven beschoren. Live fast and die young, zeg maar. Na minder dan een miljoen jaar na geboorte zeggen dit soort sterren kaboem en vandaar dat ze zeldzaam zijn. In een gemiddeld sterrenstelsel zoals de Melkweg zijn er op ieder moment slechts enkele tientallen actief – maar dat geldt niet voor Wolf-Rayets-sterrenstelsels, waarin het stikt van die dingen.Hoe dan ook, een mooi plaatje, nietwaar? Kijk vooral ook naar de talloze prachtige achtergrondstelsels 😉 Bron: NASA.

Hubble ziet sterrenstelsel dat er jonger uit ziet dan het is (update)

credit: NASA & ESA

Zie hier het dwergsterrenstelsel DDO 68, in de boeken ook wel bekend staand als UGC 5340, ogend als een haveloos bijeengeraapte groep sterren en gas, precies het uiterlijk wat sterrenkundigen verwachten van een jong, pas gevormd sterrenstelsel. Normaal komen dat soort jonge sterrenstelsels op verre afstanden voor, afstanden die horen bij het nog vroege heelal. Maar schijn bedriegt: DDO 68 ligt ‘slechts’ 39 miljoen lichtjaar van ons vandaan, voor sterrenkundigen is dat dichtbij. Qua chemische samenstelling lijkt DDO 38 inderdaad op die jonge stelsels, ze hebben heel veel lichte elementen zoals waterstof, helium en lithium, en heel weinig zware elementen, die ook wel metalen worden genoemd. Pas als sterren evolueren gaan ze zware elementen vormen, die door supernovae explosies verspreid worden. Maar nou komt het: Hubble heeft vermoedelijk ook oude sterren ontdekt in DDO 38, hetgeen het onmogelijk maakt dat dit sterrenstelsel echt jong is. Dat betekent dus dat DDO 38 ouder is dan het er uit ziet en door vervolgonderzoek wil men kijken hoe dat precies komt. Hieronder een video over DDO 38, waarin het dwergstelsel nader wordt bekeken.

Bron: Hubble.

Update:

Afzonderlijk onderzoek heeft uitgewezen dat het lage metaalgehalte van DDO 68 het gevolg is van de instroom van maagdelijk (dus nauwelijks verrijkt met zwaardere elementen) gas, wellicht als gevolg van zwaartekrachtinteracties. Toen men vervolgens de omgeving van DDO 68 ging bekijken, kwam inderdaad een zwakke begeleider tevoorschijn. Deze begeleider is bijzonder gasrijk, maar bevat nauwelijks sterren. Dit gas vormt daarnaast een brug tussen de begeleider en DDO 68 en is wellicht de belangrijkste aanvoerroute voor het maagdelijke gas dat gebruikt wordt om veel nieuwe sterren te maken. Als gevolg van getijdenkrachten zal in de kosmische nabije toekomst ook massale stervorming in de begeleider op gang komen, alvorens samen te smelten met DDO 68 tot een relatief groot onregelmatig sterrenstelsel.

Bron: The Astrophysical Journal Letters

Hubble ontdekt dwergsterrenstelsel met superzwaar zwart gat in centrum

Credit: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital

Gebruikmakend van de Hubble ruimtetelescoop zijn sterrenkundigen erin geslaagd om in de kern van een klein dwergsterrenstelsel een superzwaar zwart gat te ontdekken. Het gaat om het stelsel genaamd M60-UCD1, dat zo’n 50 miljoen lichtjaar van ons verwijderd is en dat slechts 300 lichtjaar in diameter is, nauwelijks 1/500e van de diameter van de Melkweg. Ondanks die kleine afmeting telt M60-UCD1 veel sterren, maar liefst 140 miljoen stuks. Het is niets voor niets dat ze dit dwergstelsel rekenen tot de categorie van de ultracompacte dwergstelsels (UCD’s). Onderzoek met Hubble én de 8 meter Gemini North telescoop op Hawaï laat zien dat in het centrum van M60-UCD1 een monster van een zwart gat huist, eentje van maar liefst 20 miljoen zonsmassa’s, vijf keer zwaarder dan het zwarte gat in de kern van de Melkweg. 15% van de massa van M60-UCD1 zit daarom in het centrale zwarte gat.

M60 en het veel kleinere M60 UCD1. Credit:NASAESA and the Hubble Heritage(STScI/AURA)

Sterrenkundigen denken nu dat in meer dwergstelsels, zoals M60-UCD1, superzware zwarte gaten kunnen zitten en dat er daarom meer zwarte gaten van de buitencategorie qua massa in het heelal zijn. De grote vraag is natuurlijk hoe zo”n dwergstelsel aan zo”n enorm zwart gat in z’n midden komt. Men heeft het idee dat M60-UCD1 vroeger veel groter was, bestaande uit maar liefst 10 miljard sterren, maar dat het te dicht in de buurt kwam van het grote buursterrenstelsel M60. Door die bijna-botsing werd M60-UCD1 beroofd van z’n meeste sterren, die in M60 terechtkwamen – het zwarte gat bleef. Nu is M60-UCD1 een dwergstelsel dat rondom M60 draait, je ziet beiden op de afbeelding hierboven. Hieronder zie je een video met een impressie van de vorming van M60-UCD-1.

Voor de liefhebbers is hier het vakartikel over de vondst van het superzware zwarte gat in M60-UCD1, morgen te verschijnen in Nature. Bron: Hubble.

Heigh-ho, sterrenkundigen ontdekken zeven dwergen

Credit: Yale University

Sterrenkundigen van de Yale Universiteit kunnen het beroemde Heigh-Ho lied van de zweven dwergen wel gaan zingen. Met een nieuwe telescoop – de Dragonfly Telephoto Array (DTA) – hebben ze namelijk rondom het bekende spiraalstelsel M101 (in Grote Beer) maar liefst zeven dwergen ontdekt, dwergsterrenstelsels welteverstaan. De telescoop bestaat uit acht grote telelenzen, die van een bepaald punt aan de hemel foto’s maken, welke vervolgens gestitched en gestacked worden tot één gecombineerde foto’s. Eigenlijk zijn het niet eens bijzondere telelenzen, de versies die fotografen bij het WK voetbal gebruiken zijn vrijwel hetzelfde, alleen een speciale coating op de lens zorgt er voor dat verstrooiing van licht in de lens wordt tegengegaan. Hieronder zie je de DTA.

Credit: Yale University

Het is nog niet bekend of de zeven dwergstelsels fysiek ook met M101 te maken hebben of dat ze toevallig in de gezichtslijn daarvan liggen. Dat moet uit vervolgonderzoek duidelijk worden. Bron: Yale.

ESO 540-31, een mooie zwerm sterren

Credit: ESA/Hubble & NASA; acknowledgement: L. Limatola

Zie hierboven het dwergstelsel genaamd ESO 540-31, 11 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd, gelegen in het sterrenbeeld Walvis (Cetus). Al die blauwe spikkels, lijken ze niet op de vogels, bijeen vliegend in een grote zwerm? Ze hebben ESO-540-31 gefotografeerd met de Hubble ruimtetelescoop. Dwergstelsels zoals deze bevatten een paar honderd miljoen sterren. Dat lijkt veel, maar vergeleken met de paar honderd miljard sterren die de Melkweg heeft stelt het niet veel voor. Bron: ESA.