Dwergsterrenstelsels bieden mogelijk de antwoorden over donkere materie
Donkere materie is een van de hardnekkigste mysteries waar astronomen en kosmologen zich vandaag de dag voor gesteld zien. Deze theoretische massa werd in de jaren ’60 voorgesteld als een manier om de rotatiecurven van sterrenstelsels te verklaren, wat erop wees dat ze een grotere massa hadden dan hun sterrenpopulaties suggereerden. Ondanks decennia van onderzoek en waarnemingen hebben wetenschappers nog steeds geen direct bewijs gevonden voor deze mysterieuze, onzichtbare massa of waaruit deze bestaat. Er bestaan vele theorieën, variërend van zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP’s) tot extreem lage massa deeltjes (axionen).
Gelukkig leven we in een tijdperk waarin de grenzen van de astronomie voortdurend worden verlegd en er voortdurend nieuwe ontdekkingen worden gedaan. In een recent onderzoek heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het Leibnitz Institute for Astrophysics Potsdam licht geworpen op dit decennialange debat door de stersnelheden van 12 van de kleinste en zwakste sterrenstelsels in het heelal te analyseren. Het team ontdekte dat de interne zwaartekrachtvelden van deze sterrenstelsels niet alleen door zichtbare materie verklaard konden worden, wat de theorie over donkere materie verder versterkte.
Het team stond onder leiding van onderzoekers van het AIP en bestond uit leden van het Institute for Physics and Astronomy van de universiteit van Potsdam, de universiteit van Surrey, de universiteit van Bath, de School of Astronomy and Space Science van de universiteit van Nanjing, het Institute of Astrophysics and Space Sciencs van de universiteit van Porto, de Leidse Sterrewacht van de universiteit van Leiden en de Lund Sterrenwacht van de universiteit van Lund. Het artikel waarin hun bevindingen worden beschreven verscheen onlangs in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Wetenschappers debatteren al decennia lang over het bestaan van donkere materie. Enerzijds wordt het bestaan ervan afgeleid uit waarnemingen en ons begrip van zwaartekracht (zoals beschreven in Einsteins algemene relativiteitstheorie). Anderzijds is er een gebrek aan direct bewijs, wat heeft geleid tot alternatieve theorieën, zoals de Modified Newtonian Dynamics (MOND). Deze theorie ontstond in de jaren ’80 en stelt dat de wetten van de zwaartekracht veranderen bij zeer lage versnellingen (d.w.z. op zeer grote afstandsschalen).
Astronomen zijn er bovendien al lang van overtuigd dat er een eenvoudige relatie bestaat tussen de hoeveelheid zichtbare (baryonische) materie die een sterrenstelsel bevat en de zwaartekracht die het uitoefent – bekend als de Radiale Acceleratie Radius (RAR). Hoewel deze theorie zeker van toepassing is op grotere systemen suggereert de nieuwe studie dat deze niet werkt in de kleinste sterrenstelsels. Na onderzoek van 12 dwergsterrenstelsels en het afleiden van hun massaverdelingen, ontdekten ze dat MOND-voorspellingen het waargenomen gedrag niet konden reproduceren, wat bewijst dat hun zwaartekrachtvelden niet alleen door zichtbare materie verklaard konden worden.
Vervolgens vergeleken ze hun resultaten met theoretische modellen die uitgaan van de aanwezigheid van halo’s van donkere materie rond sterrenstelsels, met behulp van de DiRAC National Supercomputer. De resultaten van deze simulaties leverden een veel betere match op voor het waargenomen gedrag van deze dwergsterrenstelsels. Mariana Júlio, promovendus aan het AIP en hoofdauteur van het onderzoek stelt:
“De kleinste dwergsterrenstelsels staan al lange tijd op gespannen voet met de MOND-voorspellingen, maar de discrepantie kan aannemelijk worden verklaard door meetonzekerheden of door de MOND-theorie aan te passen. Voor het eerst konden we de zwaartekrachtversnelling van sterren in de zwakste sterrenstelsels op verschillende stralen bepalen, waardoor hun interne dynamiek gedetailleerd werd onthuld. Zowel de waarnemingen als onze EDGE-simulaties laten zien dat hun zwaartekrachtveld niet alleen kan worden bepaald door hun zichtbare materie, wat in tegenspraak is met aangepaste zwaartekrachtvoorspellingen. Deze bevinding onderstreept de noodzaak van donkere materie en brengt ons dichter bij het begrijpen van de aard ervan.”
De studie daagt het RAR-paradigma uit door betere en diepgaandere analyses te bieden, waardoor astronomen de radiaal opgeloste profielen van dwergsterrenstelsels correct kunnen afleiden. Ze bevestigen verder wat astronomen al vermoedden over dwergsterrenstelsels en hoe ze niet voldoen aan de verwachtingen van hun zwaardere tegenhangers. Medeauteur professor Justin Read van de universiteit van Surrey zei:
“Nieuwe data en modelleringstechnieken stellen ons in staat om het zwaartekrachtveld op kleinere schaal dan ooit tevoren in kaart te brengen en dit geeft ons nieuwe inzichten in de vreemde, schijnbaar onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het heelal vormt. Onze resultaten tonen aan dat er onvoldoende informatie is, gebaseerd op wat we alleen kunnen zien, om de zwaartekrachtveldsterkte in de kleinste sterrenstelsels te bepalen. Dit resultaat kan worden verklaard als deze sterrenstelsels omgeven zijn door een onzichtbare halo van donkere materie, aangezien de donkere materie de ‘ontbrekende informatie’ codeert. Maar MOND-theorieën – althans die welke tot nu toe zijn voorgesteld – vereisen dat het zwaartekrachtveld alleen wordt bepaald door wat we zien. Dat lijkt gewoon niet te werken.”
Hoewel de bevindingen de lastige vragen over donkere materie (bijvoorbeeld waaruit het bestaat) niet beantwoorden of het bestaan ervan bevestigen, beperken ze de zoektocht wel door alternatieve verklaringen uit te sluiten. Toekomstige waarnemingen die zich richten op nog zwakkere en verder weg gelegen sterrenstelsels zullen de zoektocht verder verfijnen. Wetenschappers zullen hierbij vertrouwen hebben in de veronderstelling dat donkere materie nog steeds de meest waarschijnlijke verklaring is voor wat we daar zien.
Artikel: The radial acceleration relation at the EDGE of galaxy formation: testing its universality in low-mass dwarf galaxies. Mariana P. Júlio, Justin I. Read, Marcel S. Pawlowski, Pengfei Li, Daniel Vaz, Jarle Brinchmann, Martin P. Rey, Oscar Agertz, and Tom Holmes.
Eerste publicatie: 10 november 2025
Bron: UniverseToday, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam
