Donkere materie vervormt clusters méér dan werd verwacht

Volgens de gangbare theorie over de structuur van het universum zouden observaties van de grootste clusters van sterrenstelsels niet zo sterk vervormd moeten zijn.

Gepubliceerd 14 sep. 2020 14:05 CEST, Geüpdatet 5 nov. 2020 06:20 CET
In deze opname van de ruimtetelescoop Hubble is de cluster van sterrenstelsels MACS J1206 te zien. ...

In deze opname van de ruimtetelescoop Hubble is de cluster van sterrenstelsels MACS J1206 te zien. Dit soort clusters hebben een kolossale massa en hun zwaartekracht is zó groot dat ze het licht van erachter gelegen objecten als een soort vergrootglas vervormen.

Foto van NASA, ESA, M. Postman (STScI) and the CLASH Team

Net als mensen kunnen sterrenstelsels er niet tegen om alleen te zijn. Gedreven door de zwaartekracht, klonteren ze samen in groepen en vormen soms zelfs het kosmologische equivalent van megasteden: clusters van wel duizend sterrenstelsels, met een totale massa van een miljoen maal een miljard zonsmassa’s.

Maar hoeveel sterren er in deze clusters ook stralen, slechts een fractie van de massa van deze structuren is voor ons waarneembaar. Wetenschappers vermoeden dat we het overgrote deel van de massa van deze clusters niet kunnen zien: de onzichtbare en mysterieuze ‘donkere materie’. Zoals onder een grote stad beton en asfalt ligt verborgen, zo ligt een heel cluster van sterrenstelsels verankerd op een reusachtige halo van donkere materie. En zoals gebouwen langs straten verrijzen, zo is elk afzonderlijk sterrenstel ingebed in zijn eigen ‘sub-halo’ van donkere materie.

Al tientallen jaren lang proberen astronomen meer inzicht te krijgen in de wijze waarop donkere materie de fundamenten van de kosmos vormt en de structuur van het universum bepaalt. Maar uit de laatste observaties komt naar voren dat wat deze donkere materie ook is, het zich in elk geval niet gedraagt zoals onderzoekers dat hadden verwacht. 

In een studie die vorige week in het tijdschrift Science is verschenen, hebben wetenschappers onderzocht hoe elf immense clusters van sterrenstelsels het licht verbuigen dat er – gezien vanaf de aarde – doorheen schijnt. Uit hun onderzoek blijkt dat deze clusters meer dan tienmaal zoveel dichte halo’s van donkere materie bevatten dan ze met behulp van modellen op een supercomputer hadden voorspeld.

“Als je zó’n groot verschil aantreft, wil dat meestal zeggen dat een bepaald onderdeel van het gebruikte model moet worden aangepast,” zegt Priyamvada Natarajan, theoretisch astrofysicus aan de Yale University en een van de auteurs van het nieuwe onderzoek. “Maar heel soms in de geschiedenis van de natuurwetenschappen toont zo’n verschil je de weg naar een nieuwe theorie.”

Kosmische lens

De studie is het zoveelste onderzoek dat het gangbare model over de samenstelling van de grootste structuren in het heelal en hun onderlinge wisselwerking op de proef stelt. 

Volgens dat model, het zogenaamde ‘Lambda Cold Dark Matter’-model (Lambda-CDM-model) bestaat slechts vijf procent van alle materie en energie in het universum uit baryonen, oftewel de vertrouwde mix van deeltjes waaruit planeten, sterren, sterrenstelsels, levende wezens – kortom alles wat wij kunnen waarnemen – bestaan. Maar het overgrote deel van de materie en energie in het heelal, zo’n 68 procent, bestaat uit ‘donkere energie’, dat in wiskundige formules wordt aangeduid met de Griekse hoofdletter lambda (Λ): een raadselachtige kracht die het universum uit elkaar trekt en de expansie ervan steeds sneller doet verlopen.

De resterende 27 procent van het universum bestaat uit onzichtbare donkere materie. Volgens het huidige Lambda-CMD-model heeft donkere materie massa en kan dus zwaartekrachtsvelden opwekken, maar reageert deze materie niet op zichzelf, zendt geen licht uit en heeft geen interactie met baryonische materie, anders dan via de zwaartekracht. 

Om het model te testen besloten onderzoekers onder leiding van Massimo Meneghetti, astronoom aan het Osservatorio di Astrofisica di Bologna in Italië, om enkele van de grootste clusters van sterrenstelsels die ons bekend zijn, onder de loep te nemen. Het team wilde onderzoeken hoe donkere materie en andere massa in een cluster is verdeeld, met behulp van een fenomeen dat zich voordoet als het vervormde licht dat door de ‘zwaartekrachtlens’ van zo’n cluster op aarde wordt waargenomen.

Zoals een zware bowlingbal op een trampoline het buigzame vel door zijn gewicht zal vervormen en uitrekken, zo vervormt ook materie het weefsel van de ruimtetijd in de directe omgeving. Zeer zware objecten in het heelal, zoals sterrenstelsels of hele clusters van sterrenstelsels, kunnen de ruimtetijd zó sterk vervormen dat ook het licht dat door deze stelsels of clusters schijnt, erdoor wordt afgebogen. Astronomen kunnen het effect van deze ‘zwaartekrachtlenzen’ meten.

Zeer zware en dichte objecten kunnen het licht van een verder weg gelegen object dat door de cluster heen schijnt zelfs splitsen. Vanaf de aarde gezien, wordt een en hetzelfde object dan verwrongen tot uitgesmeerde cirkels van licht waarin het meerdere keren wordt waargenomen. 

De enorme zwaartekracht van donkere materie draagt natuurlijk bij aan dit effect, en clusters lijken enorme hoeveelheden donkere materie te bevatten. Volgens de meest accurate modellen die tot dusver zijn opgesteld, liggen clusters van sterrenstelsels niet alleen ingebed in een reusachtige halo van donkere materie, maar worden afzonderlijke sterrenstelsels op hun beurt omringd door hun eigen ‘subhalo’ van donkere materie.

Toen het team van Meneghetti elf clusters in kaart bracht en de kleinere zwaartekrachtlenzen (van de subhalo’s) bij elkaar optelde, vonden ze meer dan tienmaal zoveel massa als ze hadden verwacht. Deze observatie lijkt erop te wijzen dat subhalo’s van donkere materie een veel hogere dichtheid hebben dan de computersimulaties voorspelden – een resultaat dat het gangbare Lambda-CDM-model lijkt tegen te spreken.

Sleutelen aan de theorie van de kosmos

Het is niet de eerste keer dat er een discrepantie optreedt tussen kosmologische observaties en het Lambda-CDM-model. Maar het resultaat is wel zeer verrassend, omdat het verschil tussen observatie en model zoveel groter is dan tot nu toe bij tests is gevonden, zegt Mike Boylan-Kolchin, een astrofysicus van de University of Texas in Austin die niet bij de nieuwe studie was betrokken.

De structuur van naburige sterrenstelsels suggereert dat de donkere materie in deze contreien een minder grote dichtheid heeft dan door de gangbare theorie wordt voorspeld. Maar de nu gevonden ongerijmdheid wijst in tegengestelde richting: dat clusters van sterrenstelsels een hogere dichtheid hebben dan het Lambda-CDM-model voorschrijft. 

“We hebben een probleem aangetroffen dat precies op het tegendeel wijst,” zegt Meneghetti.

Waardoor wordt dit conflict tussen theorie en waarneming veroorzaakt? Is het mogelijk dat de gebruikte computermodellen niet goed weergeven hoe sterrenstelsels ontstaan of zijn ze gewoon niet verfijnd genoeg om zulke immense structuren goed te kunnen nabootsen? Volgens de auteurs van de nieuwe studie hadden ze al rekening gehouden met mogelijke foutmarges maar de discrepantie is simpelweg te groot om erdoor te worden verklaard.

Een van de uitdagingen is het feit dat elke aanpassing van een theoretisch model alle andere fenomenen in het universum net zo nauwkeurig en onderbouwd moet verklaren als het oorspronkelijke Lambda-CDM-model. In dat model wordt ervan uitgegaan dat donkere materie ‘koud’ is, oftewel dat de afzonderlijke deeltjes van deze materie zich in het vroege universum niet erg snel voortbewogen. Die traagheid vormt een essentieel onderdeel van het ontstaan van gebieden waar de dichtheid aan donkere materie iets hoger is dan op andere locaties in het heelal. Regio’s met een meer dan gemiddelde dichtheid aan donkere materie klonterden later onder het gewicht van hun eigen zwaartekracht samen en vormden zo als het waren het geraamte waarop zich normale (baryonische) materie begon te concentreren, waardoor er op deze plekken sterren, planeten en sterrenstelsels omstonden.

Het model is zeer goed in het voorspellen van grootschalige kosmische structuren, maar schiet duidelijk tekort als het gaat om kleinere structuren met een doorsnede van zo’n 3,3 miljoen lichtjaar, een schaal die past bij de meeste grote sterrenstelsels en clusters. Over het algemeen zien astronomen binnen sterrenstelsels een geringer aantal kleinere objecten of minder dichte regio’s dan het Lambda-CDM voorspelt – ook al wijzen de nieuwe observaties juist op gebieden met een hogere dichtheid dan volgens de theorie werd verwacht.

Toekomstige modellen zullen de tegenstrijdigheid in de verdeling van donkere materie ook op kleinere schaal moeten verklaren. “Het is alsof je tegelijkertijd door meerdere ogen van de naald moet kruipen,” zegt James Bullock, een astrofysicus van de University of California in Irvine die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken.

Volgens natuurkundige Mathilde Jauzac, een expert op het gebied van zwaartekrachtlenzen aan de University of Durham die evenmin bij deze studie was betrokken, zal het lastig worden om het model verder te testen – want zoveel reusachtige clusters van sterrenstelsels zijn er niet om te onderzoeken; in de nieuwe studie werden alle tot nu toe waarneembare clusters – elf in totaal – bestudeerd.

Vanwege deze zeldzaamheid worden ze niet vaak in computersimulaties opgenomen, zegt Jauzac. Om meer van deze clusters te kunnen observeren, zullen de modellenbouwers veel grotere stukken van het heelal moeten simuleren, waarvoor enorm veel computerkracht nodig zal zijn. 

Als de astrofysici eenmaal genoeg tegenstrijdigheden in het Lambda-CDM-model hebben ontdekt, kunnen ze misschien een weg vinden naar een nieuwe theorie, die de volledige geschiedenis van het heelal met nog grotere precisie kan verklaren: hoe de Oerknal een reeks kosmische wisselwerkingen op gang bracht en uiteindelijk zou leiden tot de vorming van sterrenstelsels, de planeet aarde en de mens.

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

Lees meer