De mysterieuze substantie is niet alleen onzichtbaar, maar het is ook niet alles waar we dachten dat het was
Waarnemingen van 11 clusters van sterrenstelsels, zoals MACSJ1206.2-0847 (afgebeeld), laten zien dat sommige bollen donkere materie in deze clusters dichter zijn dan verwacht.
Donkere materie is zojuist nog raadselachtiger geworden.
Dit niet-geïdentificeerde spul, dat het grootste deel van de massa in de kosmos vormt, is onzichtbaar maar detecteerbaar door de manier waarop het zwaartekracht aan objecten zoals sterren trekt. (SN: 25/11/19). De zwaartekracht van donkere materie kan ook licht buigen dat van verre sterrenstelsels naar de aarde reist – maar nu lijkt een deel van deze mysterieuze substantie het licht meer te buigen dan het zou moeten. Een verrassend aantal klonten van donkere materie in verre clusters van sterrenstelsels het achtergrondlicht van andere objecten ernstig vervormen, rapporteren onderzoekers op 11 september Wetenschap.
Deze bevinding suggereert dat deze klonten donkere materie, waarin individuele sterrenstelsels zijn ingebed, dichter zijn dan verwacht. En dat zou een van de volgende twee dingen kunnen betekenen: ofwel de computersimulaties die onderzoekers gebruiken om het gedrag van clusters van sterrenstelsels te voorspellen, zijn verkeerd, ofwel het begrip van kosmologen van donkere materie is dat niet.
Zeer hoge concentraties donkere materie kunnen als een lens werken om licht te buigen en het uiterlijk van achtergrondstelsels, gezien vanaf de aarde, drastisch te veranderen – ze uitrekken tot bogen of ze splitsen in meerdere afbeeldingen van hetzelfde object aan de hemel. ‘Het is helemaal gaaf. Het is net een leuke huisspiegel ”, zegt astrofysicus Priyamvada Natarajan van Yale University.
Te oordelen naar computersimulaties van clusters van sterrenstelsels, zouden groepjes donkere materie rond individuele sterrenstelsels die voldoende dicht zijn om zulke dramatische effecten van gravitatielenzen te veroorzaken, zeldzaam moeten zijn (SN: 10/4/15). Gebaseerd op clustersimulaties uitgevoerd door Natarajan en collega’s, “zouden we verwachten dat 1 [strong lensing] evenement in elke 10 clusters of zo, ”zegt co-auteur Massimo Meneghetti, een astrofysicus aan het Astrophysics and Space Science Observatory van Bologna in Italië.
Maar telescoopbeelden vertelden een ander verhaal. De onderzoekers gebruikten waarnemingen van de Hubble Space Telescope en de Very Large Telescope in Chili om 11 clusters van sterrenstelsels te onderzoeken op een afstand van ongeveer 2,8 miljard tot 5,6 miljard lichtjaar. In die set identificeerde het team 13 gevallen van ernstige gravitatielenzen door klonten van donkere materie rond individuele sterrenstelsels. Deze waarnemingen geven aan dat er meer klonten van donkere materie met een hoge dichtheid zijn in echte clusters van sterrenstelsels dan in gesimuleerde, zegt Meneghetti.
De simulaties missen mogelijk een aantal fysica die ertoe leidt dat donkere materie in clusters van sterrenstelsels dicht bij elkaar komt, zegt Natarajan. ‘Of… er is iets fundamenteels mis met onze aannames over de aard van donkere materie’, zegt ze, zoals het idee dat zwaartekracht de enige aantrekkingskracht is die donkere materie voelt.
Richard Ellis, een kosmoloog aan het University College London die niet bij het werk betrokken was, denkt dat de kern van het probleem waarschijnlijker is in de computersimulaties dan in de aard van donkere materie. “Een cluster van sterrenstelsels is een erg gevaarlijke plek. Het is net het Manhattan van het universum, ”zegt hij – bezig met sterrenstelsels die langs elkaar suizen, botsen en verscheurd worden. “Er is een vreselijke fysica die gaat voorspellen hoeveel van deze kleine lensdingen ze zouden moeten vinden”, zegt Ellis, dus het nieuwe resultaat “is intrigerend, maar mijn vermoeden is dat er iets in de simulaties zit … dat klopt niet helemaal.”
Toekomstige waarnemingen met de komende Euclid-ruimtetelescoop (SN: 14-11-17), de Nancy Grace Roman Space Telescope en Vera C.Rubin Observatory (SN: 1/10/20) kunnen helpen om de zaken op te helderen, zegt Bhuvnesh Jain, een astrofysicus aan de Universiteit van Pennsylvania die niet bij het werk betrokken was. “Deze drie telescopen gaan extreem grote monsters van clusters van sterrenstelsels produceren”, zegt hij. Dat kan leiden tot een nieuw begrip van de fysica in deze turbulente omgevingen, en helpen bepalen of onrealistische simulaties de schuld zijn van dit mysterie van donkere materie.
