Nieuwe waarnemingen wijzen erop dat tijdens de hoogtijdagen van het ontstaan van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden, zware sterren-vormende stelsels werden gedomineerd door baryonische oftewel ‘normale’ materie. Dat is in schril contrast met de huidige sterrenstelsels, waarin de geheimzinnige donkere materie de overhand heeft. Dit verrassende resultaat, verkregen met ESO’s Very Large Telescope, suggereert dat donkere materie in het vroege heelal minder invloedrijk was dan nu. De resultaten van het onderzoek verschijnen in vier artikelen, waarvan er één vandaag in Nature is gepubliceerd.
De materie die wij in het heelal zien bestaat uit helder stralende sterren, gloeiend gas en wolken van stof. Maar de ongrijpbare donkere materie straalt geen licht uit en absorbeert of weerkaatst het ook niet – zij is alleen waarneembaar via de zwaartekracht die zij op haar omgeving uitoefent. De aanwezigheid van donkere materie kan verklaren waarom de buitenste delen van nabije spiraalstelsels sneller draaien dan je zou verwachten als de stelsels volledig uit normale materie zouden bestaan [1]. Nu heeft een internationaal team van astronomen, onder leiding van Reinhard Genzel van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Duitsland, de instrumenten KMOS en SINFONI van ESO’s Very Large Telescope in Chili [2] gebruikt om de rotatie te meten van zes zware, sterren-vormende stelsels in het verre heelal, op het hoogtepunt van de vorming van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden.
Daarbij hebben ze een intrigerende ontdekking gedaan: anders dan bij spiraalstelsels in het huidige heelal, lijken de buitenste delen van deze verre stelsels langzamer te draaien dan de delen dichter bij de kern. Dat wijst erop dat er minder donkere materie aanwezig is dan verwacht. [3] ‘Verrassend genoeg zijn de rotatiesnelheden in de sterrenstelsels niet constant, maar nemen ze naar buiten toe af,’ aldus Reinhard Genzel, hoofdauteur van het artikel in Nature. ‘Dat heeft waarschijnlijk twee oorzaken. Allereerst worden de meeste van deze vroege zware sterrenstelsels gedomineerd door normale materie, en speelt donkere materie een veel kleinere rol dan in het lokale heelal. Op de tweede plaats waren de schijven van deze vroege stelsels veel turbulenter dan de spiraalstelsels die we in onze kosmische nabijheid zien.’
De beide effecten lijken sterker tot uiting te komen naarmate astronomen dieper het vroege heelal in kijken – verder naar het verleden dus. Dit wijst erop dat het aanwezige gas zich drie tot vier miljard jaar na de oerknal al op efficiënte wijze had georganiseerd in platte, draaiende schijven, terwijl de omhullende halo’s van donkere materie zich nog over een veel groter volume uitstrekten. Kennelijk deed de donkere materie er miljarden jaren langer over om zich te verdichten, waardoor haar dominante uitwerking pas nu tot uiting komt. Deze verklaring is in overeenstemming met waarnemingen die laten zien dat vroege sterrenstelsels veel gasrijker en compacter waren dan de huidige sterrenstelsels.
De zes sterrenstelsels die bij dit onderzoek in kaart zijn gebracht, maken deel uit van een grotere steekproef van honderden verre, sterren-vormende schijfstelsels die met KMOS en SINFONI in beeld zijn gebracht. Naast de hierboven beschreven metingen van afzonderlijke sterrenstelsels, is van de zwakkere signalen van de overige stelsels een gemiddelde rotatiekromme gemaakt. Deze laatste vertoont dezelfde afname van de rotatiesnelheid naar buiten toe. Ook twee andere onderzoeken van 240 sterren-vormende schijven bevestigen deze bevindingen. Gedetailleerde modelberekeningen laten zien dat waar de onderzochte stelsels bij elkaar voor ongeveer de helft uit normale materie bestaan, het rotatiegedrag van de verste sterrenstelsels volledig door normale materie wordt gedomineerd.
Noten
1] De schijf van een spiraalstelsel draait heel langzaam rond: één rotatie duurt honderden miljoenen jaren. In de kern van zo’n stelsel zitten de sterren heel dicht op elkaar, maar naar buiten toe neemt de dichtheid van de heldere materie af. Als zo’n stelsel geheel uit normale materie zou bestaan, zouden de dunbevolktere buitengebieden langzamer moeten draaien dan de opeengepakte gebieden in het centrum. Maar waarnemingen van nabije spiraalstelsels laten zien dat hun buitendelen ongeveer net zo snel draaien als hun binnendelen. Deze vlakke ‘rotatiekrommen’ geven aan dat spiraalstelsels grote hoeveelheden niet-lichtgevende materie bevatten, in de vorm van een halo van donkere materie die de galactische schijf omhult.
[2] De geanalyseerde gegevens zijn verkregen in het kader van de surveys KMOS3D en SINS/zC-SINF. Het is voor het eerst dat de dynamische eigenschappen van een groot aantal sterrenstelsels met roodverschuivingen van z~0,6 tot 2,6 (een tijdspanne van 5 miljard jaar) zo uitgebreid is onderzocht.
[3] Dit nieuwe resultaat zet geen vraagtekens bij de noodzaak van donkere materie als fundamenteel bestanddeel van het heelal of bij de totale hoeveelheid materie. Het wijst er alleen op dat de donkere materie in en rond schijfstelsels vroeger anders was verdeeld dan nu.
