Bij het meest nauwkeurige onderzoek van de bewegingen van sterren in de Melkweg tot nu toe zijn geen grote hoeveelheden donkere materie in de omgeving van de zon aangetroffen. Volgens algemeen geaccepteerde theorieën zou de zonsomgeving rijk moeten zijn aan donkere materie – een geheimzinnige, onzichtbare substantie die alleen indirect waarneembaar is via de zwaartekrachtsaantrekking die zij uitoefent. Maar uit nieuw onderzoek door een team van astronomen in Chili blijkt dat deze theorieën niet in overeenstemming zijn met de waargenomen feiten.
Dat zou kunnen betekenen dat de pogingen om donkeremateriedeeltjes op aarde rechtstreeks te detecteren tot mislukken gedoemd zijn. Een onderzoeksteam heeft met de 2,2-meter MPG/ESO-telescoop van de ESO-sterrenwacht op La Silla en andere telescopen de bewegingen van meer dan 400 sterren tot op 13.000 lichtjaar van de zon in kaart gebracht. Uit deze nieuwe gegevens hebben zij, voor een volume dat viermaal zo groot is als bij voorgaande onderzoeken, de hoeveelheid materie in de omgeving van de zon berekend.
‘De hoeveelheid massa die we hebben afgeleid komt heel goed overeen met wat we in het gebied om de zon aan sterren, stof en gas waarnemen,’ zegt teamleider Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili). ‘Maar dat laat geen ruimte voor het extra materiaal – donkere materie – dat we verwachtten. Onze berekeningen laten zien dat dit heel duidelijk uit onze metingen naar voren had moeten komen. Maar het was er gewoon niet!’
Donkere materie is een mysterieuze substantie die niet te zien is, maar zich verraadt door de zwaartekrachtsaantrekking die zij op naburige materie uitoefent. Dit extra ingrediënt van de kosmos werd aanvankelijk opgevoerd om te verklaren waarom de buitenste delen van sterrenstelsels, waaronder onze eigen Melkweg, zo snel roteren. Inmiddels is de donkere materie echter ook een cruciaal onderdeel van theorieën die ontstaan en levensloop van sterrenstelsels proberen te verklaren. Tegenwoordig wordt er alom van uitgegaan dat deze donkere component ruim tachtig procent van alle massa in het heelal vertegenwoordigt (1), hoewel alle pogingen om haar aard vast te stellen tot nu toe op niets zijn uitgelopen. Ook de detectie van donkere materie in laboratoria op aarde is nog niet gelukt.
Door heel nauwkeurig de bewegingen van veel sterren te meten – vooral sterren die zich ver van het vlak van de Melkweg bevinden – kon het team reconstrueren hoeveel donkere materie hier aanwezig is (2). Deze bewegingen zijn een gevolg van de onderlinge aantrekkingskracht van alle materie, ongeacht of dat normale materie (sterren bijvoorbeeld) of donkere materie is.
De huidige modellen die astronomen gebruiken om de vorming en rotatie van sterrenstelsels te verklaren, wijzen erop dat de Melkweg is gehuld in een halo van donkere materie. Ze zijn niet in staat om precies te voorspellen welke vorm deze halo aanneemt, maar laten wel zien dat er in de omgeving van de zon aanzienlijke hoeveelheden donkere materie aanwezig zou moeten zijn. Het waargenomen gebrek aan donkere materie (3) is alleen verklaarbaar als de halo van donkere materie een heel onwaarschijnlijke vorm heeft, bijvoorbeeld een zeer langgerekte.
De nieuwe resultaten wijzen er ook op dat de pogingen om donkere materie op aarde te ontdekken, door detectie van de schaarse interacties tussen donkeremateriedeeltjes en ‘normale’ materie, weinig kans van slagen hebben.
‘De nieuwe resultaten nemen zeker niet weg dat de Melkweg veel sneller draait dan je op grond van de zichtbare materie kunt verklaren. Dus als er geen donkere materie is op plaatsen waar we haar verwachten, zullen we een nieuwe oplossing voor het probleem van de ontbrekende massa moeten vinden. Onze resultaten zijn in strijd met de huidige geaccepteerde modellen. Het raadsel van de donkere materie is dus alleen maar groter geworden. Toekomstige surveys, zoals ESA’s Gaia-missie, zullen een cruciale rol spelen bij het vervolg van dit onderzoek,’ besluit Moni Bidin.
Noten
(1) Volgens de huidige theorieën vormt donkere materie 83 procent van de materie in het heelal; de overige 17% bestaat uit normale materie. Daarnaast lijkt het heelal een nog grotere hoeveelheid donkere energie te bevatten, maar deze heeft naar verwachting geen invloed op de bewegingen van sterren in de Melkweg.
(2) De waarnemingen zijn gedaan met de FEROS-spectrograaf van de 2,2-meter MPG/ESO-telescoop, het Coralie-instrument van de Zwitserse 1,2-meter Leonard Euler-telescoop, het MIKE-instrument van de Magellan II-telescoop en de Echelle-spectrograaf van de Irene du Pont-telescoop. De beide eerste telescopen maken deel uit van de ESO-sterrenwacht op La Silla; de beide laatste horen bij de Las Campanas-sterrenwacht, ook in Chili. Bij dit onderzoek is gekeken naar meer dan 400 rode reuzensterren in de richting van de zuidelijke galactische pool, op sterk uiteenlopende afstanden van het melkwegvlak.
(3) Theorieën voorspellen dat de gemiddelde hoeveelheid donkere materie in ons deel van de Melkweg ruwweg 0,4 tot 1 kilogram per volume ter grootte van de aarde zou moeten bedragen. De nieuwe metingen blijven steken bij 0,00±0,07 kilogram per volume ter grootte van de aarde.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk II. A lack of dark matter in the solar neighborhood’ van Moni Bidin et al, dat in The Astrophysical Journal zal verschijnen.
Het onderzoeksteam bestaat uit C. Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili), G. Carraro (European Southern Observatory, Santiago, Chili), R.A. Méndez (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chili) en R. Smith (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili).
Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. 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 uitsluitend 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. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
