Gebogen sterrenstromen kunnen verklappen waaruit donkere materie bestaat
Donkere materie is misschien wel het grootste raadsel van de sterrenkunde. We weten dat het er is, want we zien de zwaartekracht ervan op sterren en sterrenstelsels. Maar waar het precies uit bestaat, weet niemand. Een nieuwe studie laat zien dat je daar iets over kunt leren door simpelweg te kijken naar de vorm van lange, dunne sliertjes sterren rond andere sterrenstelsels.
Die sliertjes heten sterstromen. Ze ontstaan wanneer een klein sterrenhoopje of dwergstelsel langzaam uit elkaar wordt getrokken door de zwaartekracht van een groter sterrenstelsel. De sterren blijven dan achter elkaar aan hun oude baan volgen, als kruimels op een pad. Van buitenaf gezien lijkt zo'n stroom op een lange, gebogen lijn van sterren.
Twee soorten donkere materie
Onderzoekers onderscheiden twee grote mogelijkheden voor wat donkere materie eigenlijk is. De eerste heet koude, botsingsloze donkere materie: deeltjes die elkaar nooit raken en gewoon langs elkaar heen bewegen. Die vorm zorgt ervoor dat de onzichtbare "halo" van donkere materie rond een sterrenstelsel een onregelmatige, langwerpige vorm krijgt, een beetje als een rugbybal.
De tweede mogelijkheid heet zelf-interagerende donkere materie. Hierbij botsen de deeltjes wél af en toe tegen elkaar, ongeveer zoals moleculen in een gas. Dat afremmen maakt de halo ronder, meer als een voetbal. Welke van de twee het is, bepaalt dus letterlijk de vorm van het onzichtbare skelet van een sterrenstelsel.
Bogen die de verkeerde kant op wijzen
Het team ontdekte een slimme truc om die vorm te testen, zonder ingewikkelde berekeningen over de exacte zwaartekracht van een sterrenstelsel te hoeven maken. Ze kijken alleen naar de kromming van een stuk sterstroom: buigt dat stukje weg van het centrum van het sterrenstelsel, in plaats van ernaar toe? De onderzoekers noemen zo'n stuk "convex".
Dat klinkt misschien onschuldig, maar het is een belangrijk signaal. Een bolvormige of licht ovale halo kan zo'n naar buiten wijzende bocht namelijk nooit veroorzaken. Alleen een flink onregelmatige, langwerpige halo, zoals je bij koude donkere materie verwacht, kan sterren in zo'n vreemde bocht duwen. Hoe vaker je zulke bogen tegenkomt in een grote verzameling sterstromen, hoe onregelmatiger de halo's gemiddeld zijn, en hoe groter de kans dat donkere materie inderdaad botsingsloos is.
Het mooie is dat je hiervoor geen snelheden, afstanden of ingewikkelde modellen van de oorspronkelijke sterrenhoop nodig hebt. Je hebt alleen de vorm van de stroom nodig, zoals die aan de hemel geprojecteerd staat, en een schatting van waar het centrum van het sterrenstelsel ligt.
De onderzoekers berekenden dat toekomstige catalogi met veel sterstromen, verzameld door grote hemelonderzoeken, met een betrouwbaarheid tot 5 sigma onderscheid kunnen maken tussen de twee soorten donkere materie. Vijf sigma is in de natuurkunde de gouden standaard voor een harde ontdekking, de kans dat zoiets toeval is, is dan extreem klein.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is vooralsnog een theoretische methode, uitgewerkt door één onderzoeksteam. Er zijn nog geen echte metingen aan sterstromen rond andere sterrenstelsels mee gedaan. De voorspelling van 5 sigma geldt voor toekomstige catalogi die nog verzameld moeten worden. Het is dus een veelbelovende test, geen uitkomst.
Toch is het een verfrissende aanpak. In plaats van ingewikkelde computersimulaties van elke afzonderlijke sterrenstroom, volstaat straks misschien een simpele blik op de vorm van de boog. Als toekomstige telescopen genoeg van deze stromen in kaart brengen, rond andere sterrenstelsels dan de onze, komen we misschien eindelijk dichter bij het antwoord op de vraag waar donkere materie precies uit bestaat.
Bron: When Streams Curve Away: a Test of Dark Matter from Extragalactic Stellar Stream Populations