Astronomen hebben een derde sterrenstelsel gevonden dat vrijwel geen donkere materie lijkt te bevatten, een ontdekking die een controversiële theorie over gewelddadige kosmische botsingen ondersteunt. Het sterrenstelsel NGC 1052-DF9 werd beschreven in een nieuw onderzoekspaper door Michael Keim, Pieter van Dokkum en hun team van Yale University, arxiv.org.
De vondst is opmerkelijk omdat donkere materie lange tijd werd beschouwd als het onzichtbare skelet dat sterrenstelsels bijeenhoudt. Zonder de enorme zwaartekracht van deze mysterieuze substantie zouden de rotatiesnelheden van sterrenstelsels ervoor zorgen dat ze simpelweg uit elkaar vliegen. De ontdekking van meerdere sterrenstelsels zonder donkere materie stelt deze aanname ter discussie.
Reeks van uitzonderlijke ontdekkingen
Het verhaal begon in 2018, toen universetoday.com. Dit sterrenstelsel had de grootte van de Melkweg, maar bevatte tot 500 keer minder sterren. Het was zo ijl dat andere, oudere sterrenstelsels er letterlijk doorheen te zien waren. DF2 was de eerste aanwijzing dat sterrenstelsels kunnen bestaan zonder dat donkere materie ze bijeenhoudt.
Later volgde de ontdekking van een tweede vergelijkbaar object, DF4, eveneens in het NGC 1052-veld. Nu komt daar NGC 1052-DF9 bij als derde exemplaar. Volgens scientificamerican.com blijven deze bizarre objecten astronomen voor raadsels stellen.
Klap voor alternatieve theorie
De ontdekking van DF2 bewees dat donkere materie een afzonderlijke, fysieke substantie is die gescheiden kan worden van normale materie. Dit was een zware slag voor Modified Newtonian Dynamics (MOND), een alternatieve theorie die was ontworpen om te verklaren waarom sterren aan de buitenranden van sterrenstelsels te snel bewegen.
MOND stelt dat bij extreem lage versnellingen, zoals die ervaren door sterren aan de rand van een sterrenstelsel, de zwaartekracht iets sterker werkt dan verwacht. Volgens deze theorie zou een diffuus sterrenstelsel als DF2 juist de verhoogde zwaartekracht moeten vertonen die MOND voorspelt. De sterren zouden dan veel sneller moeten bewegen dan hun zichtbare massa verklaart.
Maar dat is niet wat de onderzoekers zagen. Ze ontdekten dat de sterren zich traag bewogen, perfect verklaarbaar door klassieke, ongewijzigde Newtoniaanse dynamica. De ontdekking van DF2 presenteerde daarmee een fatale paradox voor MOND: als MOND een fundamentele natuurwet is, zou het op alle materie moeten gelden. Een sterrenstelsel kan niet zomaar "afzien" van de wetten van de zwaartekracht.
De 'Bullet Dwarf' botsingstheorie
De nieuwste ontdekking van NGC 1052-DF9 versterkt een radicale theorie over sterrenstelselvorming die bekend staat als het 'Bullet Dwarf' botsingsscenario. Deze controversiële theorie suggereert dat deze sterrenstelsels hun donkere materie zijn kwijtgeraakt door gewelddadige kosmische botsingen.
Het scenario stelt dat wanneer twee sterrenstelsels met hoge snelheid botsen, de normale materie (sterren en gas) door de botsing heen kan gaan, terwijl de donkere materie achterblijft door interacties met andere donkere materie. Dit zou kunnen verklaren waarom sommige sterrenstelsels vrijwel geen donkere materie meer bevatten.
Het feit dat nu drie van dergelijke sterrenstelsels zijn gevonden in hetzelfde kosmische veld, suggereert dat ze mogelijk allemaal het resultaat zijn van vergelijkbare gewelddadige gebeurtenissen. universetoday.com leent deze clustering van objecten zonder donkere materie geloofwaardigheid aan de botsingstheorie.
Bredere implicaties
De ontdekking heeft verstrekkende gevolgen voor ons begrip van het universum. Dwergsterrenstelsels werden lange tijd beschouwd als gedomineerd door donkere materie. De vraag of ze daadwerkelijk kunnen ontstaan en overleven zonder deze mysterieuze substantie, blijft astronomen bezighouden.
scientificamerican.com eerder over vergelijkbare vondsten, waarbij telkens de vraag opkwam wat precies een sterrenstelsel definieert. Een onderzoek uit 2011 toonde aan dat zelfs onder experts geen eensgezindheid bestaat over deze definitie.
De meeste astronomen zijn het eens over de basisprincipes: sterrenstelsels zijn massieve, door zwaartekracht gebonden systemen van sterren, gas en stof, met een belangrijk maar slecht begrepen complement van donkere materie. De provocerende ontdekking van sterrenstelsels die deze onzichtbare substantie blijken te missen, stelt deze definitie ter discussie.
Het team van Yale University plant vervolgonderzoek om de eigenschappen van NGC 1052-DF9 verder in kaart te brengen en te begrijpen hoe deze uitzonderlijke objecten zijn ontstaan. De hoop is dat deze vreemde sterrenstelsels uiteindelijk meer inzicht zullen geven in de aard van donkere materie zelf.