Mogelijk is voor het eerst waargenomen hoe donkere materie, anders dan via de zwaartekracht, andere donkere materie beïnvloedt. Waarnemingen van botsende sterrenstelsels, verricht met ESO’s Very Large Telescope en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA, hebben de eerste intrigerende aanwijzingen opgeleverd over de aard van deze mysterieuze component van het heelal.
Met behulp van het MUSE-instrument van ESO’s VLT in Chili, en beelden van de om de aarde cirkelende Hubble-telescoop, heeft een team van astronomen de gelijktijdige botsing tussen vier sterrenstelsels in de cluster Abell 3827 onderzocht. Het team heeft kunnen traceren waar in dit systeem zich de massa bevindt, en vervolgens de verdeling van de donkere materie vergeleken met de posities van de heldere sterrenstelsels. Hoewel donkere materie niet te zien is, heeft het team met behulp van de zogeheten zwaartekrachtlenstechniek de locatie ervan kunnen afleiden. Bij toeval speelde de botsing zich recht voor een veel verder verwijderd, ongerelateerd object af. De massa van de donkere materie rond de botsende sterrenstelsels vervormt de ruimtetijd, waardoor de lichtstralen van het verre achtergrondstelsel op allerlei manieren worden afgebogen. Daardoor wordt het beeld van het stelsel vervormd tot karakteristieke boogjes. Volgens onze huidige inzichten bevinden alle sterrenstelsels zich in een omhulsel van donkere materie. Zonder de bindende werking van de zwaartekracht die de donkere materie uitoefent zouden sterrenstelsels zoals onze Melkweg door hun draaiing uit elkaar vallen. Dat dit niet gebeurt, is alleen verklaarbaar als 85 procent van alle massa in het heelal [1] uit donkere materie bestaat. Maar waar deze materie uit bestaat is nog steeds een raadsel.
Bij dit onderzoek hebben de wetenschappers de vier botsende sterrenstelsels waargenomen en ontdekt dat één van de omhulsels van donkere materie achterloopt bij het sterrenstelsel dat het omsluit. De achterstand op het stelsel bedraagt momenteel 5000 lichtjaar (50.000 miljoen miljoen kilometer – de NASA-ruimtesonde Voyager zou er 90 miljoen jaar over doen om die afstand te overbruggen. Naar verwachting ontstaat zo’n achterstand tussen een sterrenstelsel en de bijbehorende donkere materie wanneer de donkere materie zichzelf beïnvloedt, hoe weinig ook, middels andere krachten dan de zwaartekracht [2]. Nog nooit is waargenomen dat donkere materie anders dan via de zwaartekracht interacties aangaat. Hoofdauteur Richard Massey van Durham University legt uit: ‘We gingen er altijd van uit dat donkere materie zich nergens iets van aantrekt, behalve van zijn eigen zwaartekracht. Maar als donkere materie echt wordt afgeremd tijdens deze botsing, zou dat het eerste bewijs kunnen zijn dat de ‘donkere sector’ – het verborgen heelal dat ons omringt – een rijke fysica kent.’
De onderzoekers merken op dat nog onderzocht moet worden welke andere effecten deze vertraging zouden kunnen veroorzaken. Er zullen soortgelijke waarnemingen van meer sterrenstelsels en computersimulaties van galactische botsingen moeten worden uitgevoerd. Teamlid Liliya Williams van de Universiteit van Minnesota voegt daaraan toe: ‘We weten dat donkere materie bestaat, dankzij de gravitationele wisselwerking die zij vertoont. Maar we weten nog beschamend weinig over wat donkere materie nu eigenlijk is. Onze waarneming suggereert dat donkere materie wellicht ook interacties aangaat via andere krachten dan de zwaartekracht. En dat zou betekenen dat we enkele cruciale theorieën over de aard van de donkere materie kunnen uitsluiten.’
Dit resultaat volgt op een recent resultaat van het team, dat 72 botsingen tussen clusters van sterrenstelsels heeft waargenomen [3] en daarbij heeft vastgesteld dat donkere materie vrijwel geen interacties met zichzelf aangaat. Het nieuwe onderzoek heeft echter geen betrekking op de clusters als geheel, maar op de bewegingen van afzonderlijke sterrenstelsels. De onderzoekers zeggen dat de botsing tussen deze stelsels mogelijk langer heeft geduurd dan de botsingen die in het eerdere onderzoek zijn waargenomen – lang genoeg om zelfs een kleine wrijvingskracht de kans te geven om mettertijd een meetbare achterstand te veroorzaken [4]. Tezamen stellen de beide onderzoeken voor het eerst grenzen aan het gedrag van donkere materie. De interacties van donkere materie zijn sterker dan dit, maar zwakker dan dat. ‘Eindelijk hebben we de donkere materie waar we haar hebben willen: in de bankschroef van onze kennis,’ aldus Massey.
Noten
[1] Astronomen hebben ontdekt dat de totale hoeveelheid massa en energie in het heelal voor 68% bestaat uit donkere energie, voor 27% uit donkere materie en voor 5% uit ‘normale’ materie. Het getal van 85% heeft betrekking op het deel van de ‘materie’ dat donker is.
[2] Computersimulaties laten zien dat de extra wrijving van de botsing ervoor zou zorgen dat de donkere materie afremt. De aard van die interactie is onbekend: ze kan het gevolg zijn van reeds bekende effecten, maar ook van een exotische, onbekende kracht. Op dit moment weten we alleen dat het niet de zwaartekracht is.
Het is mogelijk dat alle vier de stelsels van hun donkere materie gescheiden zijn. Maar we hebben van slechts één stelsel een heel goede meting, omdat dit bij toeval precies voor een ver achtergrondobject staat. Bij de andere drie stelsels staan de ‘boogjes’ verder weg, waardoor zich niet goed laat vaststellen waar de donkere materie zich bevindt.
[3] Clusters bestaan uit tot wel duizend afzonderlijke sterrenstelsels.
[4] De grootste onzekerheid in het resultaat is de duur van de botsing: de wrijving die de donkere materie heeft afgeremd kan een heel zwakke kracht zijn geweest die ongeveer een miljard jaar zijn werk heeft gedaan, of een relatief sterke kracht die ‘maar’ 100 miljoen jaar heeft gewerkt.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek staan in het artikel ‘The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827’, dat op 15 april in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit R. Massey (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, VK), L. Williams (School of Physics & Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, VS), R. Smit (Institute for Computational Cosmology, VK), M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, VK), T.D. Kitching (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Dorking, Surrey, VK), D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny, Versoix, Zwitserland), H. Israel (Institute for Computational Cosmology, VK), M. Jauzac (Institute for Computational Cosmology, VK; Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban, Zuid-Afrika), D. Clowe (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, VS), A. Edge (Department of Physics, Durham University, Durham, VK), M. Hilton (Astrophysics and Cosmology Research Unit, Zuid-Afrika), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Marseille, Frankrijk), A. Leonard (University College London, London, VK), J. Liesenborgs (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Frankrijk), J. Liesenborgs (Universiteit Hasselt, Diepenbeek, België), J. Merten (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, VS; California Institute of Technology, Pasadena, California, VS), I. Mohammed (Physik-Institüt, University of Zürich, Zürich, Zwitserland), D. Nagai (Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut, VS), J. Richard (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Frankrijk), A. Robertson (Institute for Computational Cosmology, VK), P. Saha (Physik-Institüt, Zwitserland), R. Santana (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, VS), J. Stott (Department of Physics, Durham, VK) en E. Tittley (Royal Observatory, Edinburgh, VK).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
