Ontbreken van 'Dark Matter' in Early Galaxies Perplexes Astronomers

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in The Conversation. De publicatie droeg het artikel bij aan de Expert Voices: Op-Ed & Insights van ProfoundSpace.org.

Het lijkt misschien alsof we het universum zo goed als uitgedacht hebben. We hebben een relatief goed idee over hoe het begon en hoe het evolueert. We hebben sondes naar naburige planeten gestuurd, een toenemend aantal exoplaneten ontdekt en de stamboom van melkwegstelsels gecatalogiseerd.

Maar er zijn een paar simpele dingen waar we gewoon geen idee van hebben - zoals waar de overgrote meerderheid van de kosmos eigenlijk van gemaakt is. Voor alle zaken die we in het universum kunnen zien, is er bijvoorbeeld minstens vijf keer meer onzichtbaar materiaal dat 'donkere materie' wordt genoemd. We weten dat het er is vanwege de zwaartekracht die het heeft op de omliggende materie. De materie die we in een melkwegstelsel of sterrenstelselcluster kunnen zien, zoals sterren, is niet voldoende om het samen te houden door zwaartekracht alleen, wat betekent dat er ook wat "donker" materiaal op de loer ligt.

Tot nu toe hebben we niet kunnen bepalen wat deze stof is en waar deze vandaan komt. En nu maakt onze nieuwe studie, gepubliceerd in Nature, de zaak nog meer verwarrend door te suggereren dat het in vroege sterrenstelsels slechts in kleine hoeveelheden aanwezig was.

Galaxy puzzel

Een groot deel van de astronomie is de studie van een strijd tegen de zwaartekracht. Sterren schijnen om niet te bezwijken onder zwaartekracht ineenstorting onder hun eigen gewicht. De Melkweg roteert als een middel om zichzelf te ondersteunen tegen de zwaartekracht in. Sommige meer massieve sterrenstelsels vertonen minder of geen samenhangende rotatie, maar ze hebben willekeurige bewegingen om de zwaartekracht in balans te brengen. Dit is waarom het meten van de beweging van sterrenstelsels een efficiënte manier is om de hoeveelheid zwaartekracht te bepalen - of de totale massa die aanwezig is in een bepaald ruimtegebied.

Dit jaar betekende het overlijden van een van de pioniers van de dynamiek van de Melkweg, Vera Rubin. Ze ontdekte dat de buitenste regionen van nabije spiraalvormige sterrenstelsels net zo snel ronddraaien als de gebieden in de buurt van het centrum. Dit heeft in grote mate bijgedragen aan ons hedendaagse beeld van donkere materie in het universum. Wanneer rotatiesnelheden hoog blijven, ver weg van de centrale gebieden van nabijgelegen spiraalvormige sterrenstelsels - waar de meeste sterren zich bevinden - geeft dit een directe aanwijzing dat er donkere materie is. In feite geloven wetenschappers dat elk sterrenstelsel een "donkere materie-halo" heeft die zijn schijf omhult.

Veertig jaar later, en krachtige instrumenten op de Europese Very Large Telescope stellen we ons nu in staat uiterst verre melkwegstelsels te onderzoeken: die in het piektijdperk van de vorming van sterrenstelsels 10 miljard jaar geleden. Niet alleen dat, door het nemen van diepe posities, kunnen we de bewegingen van gas tot in de buitenste schijfgebieden van de melkweg onderzoeken.

Mijn collega's van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica en ik waren in staat om de individuele rotatiecurven van zes oude sterrenstelsels te extraheren. En voor nog eens 100 sterrenstelsels zijn we erin geslaagd om hun metingen te combineren in een gemiddelde curve. Beide benaderingen leverden hetzelfde verrassende resultaat op: in vroege schijfstelsels neemt de rotatie van de buitenste delen gestaag af, wat erop wijst dat er weinig of geen donkere materie is om de dingen te versnellen.

De rol van halo's in de donkere materie

Dus hoe kunnen we de bevindingen verklaren? Welnu, we weten dat er veel gas aanwezig was in deze vroege sterrenstelsels, constant invallend vanuit het intergalactische medium. Deze gasreservoirs laten gewone materie effectief wegzakken naar de centra van de donkere materie-halo's die hen hosten.

Het kan ook zijn dat in deze vroege tijden de halo's van de donkere materie snel groeiden en nog niet in evenwicht waren. Dit betekent dat de kans dat sterrenstelsels zouden kunnen ontstaan ​​in gebieden met lagere donkere materieconcentraties hoger was.

Kosmische tijdschalen zijn lang. Het in kaart brengen van de evolutionaire paden van sterrenstelsels doorheen de geschiedenis van het universum vereist het samenvoegen van snapshots van hun leven, zoals waargenomen in verschillende tijdperken. Ongetwijfeld zullen onze nieuwe bevindingen een waardevol stuk toevoegen aan deze puzzel. Wat we nu kunnen zeggen, is dat de schijfstelsels die we drie miljard jaar na de oerknal observeerden, opmerkelijk anders zijn in vergelijking met de melkwegstelsels van het melkwegstelsel van vandaag.

Maar het is belangrijk om te onthouden dat wanneer je deze oude sterrenstelsels vergelijkt met die van tien miljard jaar later, je er ook rekening mee moet houden dat er in de tussentijd nieuwe sterren zullen worden gevormd. In de zoektocht naar afstammende sterrenstelsels lijkt het daarom relevanter te kijken naar moderne sterrenstelsels die massiever zijn dan de Melkweg. Die zijn vaak bolvormig (ze missen spiraalarmen). Interessant is dat hun dynamica ook wijst op lage donkere materieconcentraties.

Wat de toekomst betreft, willen we de fysica achter een dergelijke evolutie blootleggen en onderzoeken hoe onze bevindingen de theorie over de interactie van normale en donkere materie kunnen informeren. Misschien kan het ons zelfs helpen de grootste vraag van allemaal te beantwoorden: wat donkere materie werkelijk is.

Stijn Wuyts, Senior Lecturer of Physics, University of Bath

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel. Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en word deel van de discussie - op Facebook, Twitter en Google +. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever.