Zo’n acht miljard jaar geleden knalden twee sterrenstelsels op elkaar. Bij die kosmische equivalent van een mokerslag hebben ze elkaar bijna letterlijk leeg geslagen.

Dat is de meest recente verklaring voor een kosmisch raadsel waarover astronomen zich sinds 2018 het hoofd braken: het bestaan van twee vage, diffuse sterrenstelsels die geen donkere materie lijkten te hebben. Uit nieuwe waarnemingen blijkt dat deze stelsels mogelijk horen bij een sliert van soortgelijke, vreemde objecten – het puin van de galactische dreun.

Uit nauwkeurige bestudering van die twee sterrenstelsels, DF2 en DF4 genaamd, bleek eerder al dat ze bestaan uit vreemde, heldere sterrenhopen. Maar wetenschappers vroegen zich af hoe deze sterrenstelsels überhaupt konden bestaan. Donkere materie, dat goed is voor meer dan 80 procent van de materie in het universum, wordt gezien als een basisingrediënt voor het ontstaan van sterrenstelsels.

Volgens een nieuwe theorie van een onderzoeksteam onder leiding van Pieter van Dokkum van de Yale University, veroorzaakte een kosmische klap deze merkwaardige ruimtefenomenen, en daarnaast ook de andere eigenschappen van de achtergebleven puinhoop. ‘Tijdens de botsing wordt het gas gestript en geschud; het wordt een chaotische omgeving zonder donkere materie om de boel bij elkaar te houden,’ aldus Van Dokkum. ‘Vervolgens kunnen delen van die grote, onregelmatige gaswolk aan de rest van de wolk ontsnappen en hun eigen kleine sterrenstelsels vormen.’

Het scenario dat Van Dokkum en zijn collega’s schetsen moet nog worden bevestigd door toekomstige observaties. Maar als hun hypothese klopt, dan is het een elegante verklaring voor het ontstaan voor een dergelijke vreemde keten van sterrenstelsels. En zoals onlangs werd beschreven in het vakblad Nature, zou deze galactische botsing mogelijk zelfs kunnen bijdragen aan de wetenschappelijke kennis over enkele van de fundamentele eigenschappen van donkere materie.

‘Ik heb het idee dat we het bij het rechte eind hebben,’ aldus Van Dokkum. ‘Deze ene, simpele oorzaak is tot dusverre de enige die een heel scala aan verschijnselen kan verklaren, zoals de bolhopen van sterren, het bestaan van twee identieke sterrenstelsels zonder donkere materie, de vreemde sliert stelsels die we nu hebben ontdekt – het klopt allemaal.’

De onzichtbare materie van het universum

Normaal gesproken is vooral donkere materie verantwoordelijk voor het gewicht van een sterrenstelsel. Tegen het eind van de jaren zestig was het de astronoom Vera Rubin die dit opperde toen ze vermoedde dat er iets massiefs en onzichtbaars was dat de sterren aan de rand van het Andromedastelsel ervan weerhield de ruimte in te vliegen. Zonder die zwaartekracht zouden deze sterren verloren zijn, evenals de sterren aan de rand van talloze andere ronddraaiende sterrenstelsels.

Een halve eeuw na het onderzoek van Rubin hebben astronomen nog steeds geen directe waarnemingen gedaan van donkere materie. Het zendt geen licht uit en reflecteert het ook niet. Het reageert niet rechtstreeks met gewone materie, hoewel de zwaartekracht ervan wel invloed heeft op het gedrag van waarneembare objecten als sterren en sterrenstelsels. Daarnaast vermoeden wetenschappers dat donkere materie nodig is om ervoor te zorgen dat sterrenstelsels over voldoende gas beschikken voor de geboorte van nieuwe sterren.

Maar in 2018 nam Van Dokkum een sterrenstelsel waar, genaamd NGC1052-DF2, of kort gezegd DF2, waarin zich extreem weinig donkere materie leek te bevinden. DF2 staat op een afstand van 72 miljoen lichtjaar van de aarde in de buurt van een groot, ellipsvormig sterrenstelsel en is vooral donker en diffuus, terwijl er her en der wel extreem heldere, massieve sterrenhopen in te vinden zijn. Bij het bepalen van de massa van het sterrenstelsel ontdekten Van Dokkum en zijn collega’s dat DF2 hooguit een heel klein beetje donkere materie bevat.

‘Die eerste ontdekking was echt verrassend, ook voor onszelf – we hadden er geen verklaring voor,’ zegt Van Dokkum. ‘Dus er was een object dat we niet konden verklaren, maar dat we in feite wel konden gebruiken om iets te zeggen over allerlei belangrijke onderwerpen. Die combinatie trok de aandacht van veel mensen, maar stuitte ook op scepsis.’

Sinds die tijd hebben Van Dokkum en zijn collega’s veel van de bijzonderheden van hun oorspronkelijke waarnemingen in het sterrenstelsel bevestigd. ‘Gelukkig bleek het te kloppen; dat had ook anders kunnen aflopen,’ lacht Van Dokkum. In 2019 deden ze een waarneming van een ander sterrenstelsel in dezelfde groep, met de naam DF4, die bijna exact dezelfde vreemde eigenschappen heeft. Ook dit stelsel is vaag en diffuus, lijkt over weinig donkere materie te beschikken en bestaat uit bizarre klonten van sterren.

‘Je hebt hier dus twee sterrenstelsels die ieder op zich uniek zijn. Er is geen sterrenstelsel in het universum dat op ze lijkt, behalve dat ze sprekend op elkaar lijken,’ vertelt Van Dokkum.

Een andere groep astronomen heeft inmiddels minstens één ander sterrenstelsel gespot dat ook nauwelijks donkere materie lijkt te bevatten, maar door zijn positie is dit lastiger te bepalen dan voor DF2 en DF4.

Maar de belangrijkste vraag is natuurlijk: hoe zijn deze vreemde sterrenstelsels in hemelsnaam ontstaan?

De astronomische klok terugzetten

In 2019 en 2020 richtten Van Dokkum en zijn collega’s de Hubble Space Telescope op DF2 en DF4. Ze ontdekten dat DF2 veel verder weg stond en dat de twee vreemde sterrenstelsels zich van elkaar af bewogen. Dat betekent dat, als je de beweging van de stelsels zou omkeren, ze uiteindelijk op hetzelfde punt in de ruimte uitkomen: de plek waar in het verleden vermoedelijk een enorme botsing plaatsvond.

Toen de oorspronkelijke sterrenstelsels op elkaar knalden, ging hun donkere materie gewoon door op haar baan door de ruimte, alsof er niks gebeurd was. Maar het gas van de stelsels belandde op een chaotische, hete hoop met een hoge druk – precies het soort omgeving waar grote clusters sterren als die in DF2 en DF4 zich kunnen vormen.

Uit simulaties van dergelijke botsingen blijkt dat die eerste gashoop opbreekt in kleinere delen en zich in de loop van miljarden jaren verspreid. Daarbij blijft een spoor aan vage, diffuse en vederlichte sterrenstelsels achter. Toen Van Dokkum en zijn collega’s een opname van diep in de NGC 1052-groep bekeken, zagen ze maar liefst elf sterrenstelsels die op één lijn stonden, inclusief DF2 en DF4.

‘We hadden die raadselachtige observaties gedaan en die vielen plotseling op hun plek. En vervolgens waren er voorspellingen, dat er meer sterrenstelsels langs die lijn te vinden moesten zijn, en die zagen we ook,’ aldus Van Dokkum.

Aan de uiteinden van de sliert bevinden zich twee sterrenstelsels die volgens Van Dokkum de donkerematerierijke restanten van de oorspronkelijke botsende sterrenstelsels kunnen zijn. Het wordt echter niet eenvoudig om dat te bevestigen, aangezien de stelsels zeer zwak zijn en het lastig is ze in detail te observeren.

De raadsels in de ruimte ontrafelen

Hoewel er dus nog vragen zijn rondom deze mogelijke galactische kettingbotsing, zien sommige wetenschappers dit als een plausibele verklaring voor het ontstaan en de verdere ontwikkeling van dergelijke stelsels zonder donkere materie.

‘Dit is om een aantal redenen een aantrekkelijke verklaring,’ zegt Mike Boylan-Kolchin van de University of Texas in Austin, die onderzoek doet naar donkere materie en de vorming van sterrenstelsels. ‘Het belangrijkste voordeel is dat deze hypothese verschillende aspecten van het systeem verklaart.’

Als het door Van Dokkum geschetste scenario zou kloppen, voegt hij daaraan toe, draagt dit bij aan de kennis over de ‘kleverigheid’ van donkere materie; dat wil zeggen of het zich niets van zichzelf aantrekt, zoals het geval is bij gewone materie, of dat er enige mate van interactie met zichzelf is. Bovendien, zegt hij, is een groot voordeel van de botsing-hypothese dat dit een verklaring is voor de vreemde sterrenhopen in DF2 en DF4.

‘Een van de grote raadsels in deze stelsels is dat ze extreem zware sterrenhopen lijken te hebben. Wat zou daar de reden van kunnen zijn?’ vraagt Boylan-Kolchin zich af. ‘Als je uitgaat van een botsing van twee sterrenstelsels, zou het logisch zijn dat er meer mogelijkheden zijn voor het ontstaan van massieve hopen.’

Maar er zijn ook astronomen die nog niet overtuigd zijn.

‘Het is in feite de start van een groot mysterie,’ zegt Michelle Collins van de University of Surrey, die onderzoek doet naar het ontstaan van sterrenstelsels. Volgens haar berust het scenario van Dokkum nu nog vooral op giswerk. Zo is niet bekend of de veronderstelde op elkaar botsende sterrenstelsels voldoende massa hadden voor het ontstaan van de verschijnselen die Van Dokkum en zijn team nu zien.

Wanneer meer bekend zou zijn over de afstand tot alle elf sterrenstelsels die het mogelijke puinspoor vormen, zou ook te zeggen zijn of ze tot hetzelfde systeem behoren. Het zou ook kunnen dat ze toevallig in een patroon staan waardoor het lijkt alsof ze iets met elkaar te maken hebben – zoals ook sterren die op heel verschillende afstanden staan en vanaf de aarde bezien met elkaar een sterrenbeeld lijken te vormen.

‘Er is gewoon veel te weinig data om met zekerheid te kunnen vaststellen dat wat we hier zien geen sterrenbeeld is,’ aldus Collins. ‘Het is heel verleidelijk om een betekenis aan patronen toe te kennen.’

Het gaat tijd kosten om de botsingtheorie te verifiëren, maar volgens Van Dokkum zijn er wel voorspellingen die kunnen worden onderzocht. Zo wil hij graag onderzoek doen naar de sterrenhopen in DF4 en hun leeftijd vergelijken met die in DF2. Wanneer de leeftijden in beide stelsels overeenkomen, zou dat een sterke aanwijzing zijn dat de twee stelsels een gemeenschappelijke herkomst hebben.

Daarnaast wil hij de Hubbletelescoop ook op andere verdachte stelsels in het puinspoor richten, om te zien of zich daarin dezelfde vreemde sterhopen bevinden. Bovendien wil hij hun snelheid en afstand meten, om te zien of ze echt onderdeel uitmaken van dezelfde structuur.

Als het meezit kunnen hij en zijn team mogelijk zelfs de twee vage sterrenstelsels aan de beide uiteinden van het spoor nader bekijken, en proberen te achterhalen of dit de met donkere materie gevulde restanten van de oorspronkelijke sterrenstelsels zijn. Maar dat project moet waarschijnlijk wachten op de volgende generatie grondtelescopen – of op de James Webb Space Telescope van NASA.

‘Dat zou fantastisch zijn,’ aldus Van Dokkum. ‘Het is de heilige graal van dit systeem als we metingen zouden kunnen doen naar die sterrenstelsels.’

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com