Zware sterrenstelsels hebben minder donkere materie in hun kern dan verwacht
Om elk sterrenstelsel hangt een enorme, onzichtbare wolk: een halo van donkere materie. We kunnen die materie niet zien, maar we weten dat ze er is omdat ze met haar zwaartekracht sterren en gas op hun plek houdt. Nieuw onderzoek laat nu iets opvallends zien: in de kern van zware sterrenstelsels lijkt er minder donkere materie te zitten dan onze beste computersimulaties voorspellen.
Donkere materie is een mysterieuze vorm van massa die geen licht uitzendt of weerkaatst. Sterrenkundigen zien haar alleen indirect, via de zwaartekracht die ze uitoefent op sterren en gas. Elk sterrenstelsel zit in zo'n halo van donkere materie, als een soort onzichtbaar skelet dat het geheel bij elkaar houdt.
Een team van onderzoekers combineerde drie soorten metingen om dat skelet in kaart te brengen. Ze gebruikten de beweging van sterren (gemeten met het MaNGA-project), de beweging van waterstofgas (gemeten met ALFALFA) en de totale massa van groepen sterrenstelsels uit de SDSS-catalogus. Door deze data samen te voegen konden ze de massaverdeling van sterrenstelsels reconstrueren, van hun binnenste kern tot ver in de buitenwijken van hun halo. Dat is een gebied dat bijna honderd keer groter is dan waar ze mee begonnen.
Voor lichte sterrenstelsels kwam de meting goed overeen met de voorspellingen van bekende computersimulaties, zoals IllustrisTNG en EAGLE. Maar bij zware sterrenstelsels, de echte zwaargewichten van het heelal, klopte het plaatje niet. Die stelsels bleken systematisch minder massa te hebben op de plek waar het waterstofgas zit, minder donkere materie in hun kern en een lager aandeel donkere materie in het centrum dan de simulaties voorspellen. Het verschil is groot genoeg om niet aan toeval toe te schrijven: statistisch gezien is de afwijking ongeveer 4 sigma, wat in de sterrenkunde als een stevig signaal geldt.
Nadat de onderzoekers de invloed van gewone materie (sterren en gas) hadden weggerekend, bleef de vorm van de donkere-materiewolk grofweg kloppen met een bekend wiskundig model (het zogeheten NFW-profiel). Maar de wolk was minder "geconcentreerd" dan verwacht: de donkere materie zat minder dicht opeengepakt in de kern.
De onderzoekers denken dat dit komt door gewone materie die de donkere materie langdurig heeft "opgewarmd" en naar buiten heeft geduwd. In zware sterrenstelsels gebeuren over miljarden jaren grote, energierijke processen, zoals sterexplosies en activiteit van zwarte gaten. Die processen zouden de donkere materie uit de kern kunnen verdrijven, sterker dan de huidige simulaties aannemen.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één onderzoek, gebaseerd op een specifieke combinatie van waarnemingsmethoden. Het betekent niet dat donkere materie niet bestaat, of dat we het fundamenteel mis hebben over hoe ze werkt. Het laat vooral zien dat de huidige computersimulaties de invloed van gewone materie op donkere materie in zware sterrenstelsels waarschijnlijk onderschatten. Vervolgonderzoek met andere waarnemingsmethoden moet bevestigen of dit signaal standhoudt.
Toch is deze bevinding relevant. Simulaties zijn het gereedschap waarmee sterrenkundigen voorspellingen doen over hoe het heelal is opgebouwd. Als die simulaties de kern van zware halo's systematisch verkeerd inschatten, moeten de modellen worden aangepast. Dat helpt ons uiteindelijk beter te begrijpen hoe gewone materie, zoals sterren en gas, het onzichtbare skelet van het heelal vormgeeft.
Bron: Massive Galaxy Halos Contain Less Inner Dark Matter Than Predicted