Introductie
In 2016 leidden astronomen door Pieter van Dokkum van Yale University gepubliceerd een bompapier claimen de ontdekking van een sterrenstelsel dat zo zwak, maar toch zo breed en zwaar is, dat het bijna geheel onzichtbaar moet zijn. Ze schatten dat het sterrenstelsel, genaamd Dragonfly 44, voor 99.99% uit donkere materie bestaat.
Er volgde een verhitte discussie over de eigenschappen van Dragonfly 44 die nog steeds niet is opgelost. Ondertussen zijn er meer dan 1,000 vergelijkbare grote maar zwakke sterrenstelsels opgedoken.
Dragonfly 44 en zijn soort staan bekend als ultra-diffuse sterrenstelsels (UDG's). Hoewel ze zo groot kunnen zijn als de grootste gewone sterrenstelsels, zijn UDG's uitzonderlijk zwak - zo zwak dat het bij telescooponderzoeken van de hemel "een taak is om de ruis weg te filteren zonder deze sterrenstelsels per ongeluk uit te filteren", zegt Paul Bennet, een astronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore. Het heldere stervormende gas dat overvloedig aanwezig is in andere sterrenstelsels lijkt te zijn verdwenen in UDG's, waardoor alleen een skelet van oudere sterren overblijft.
Hun bestaan heeft voor opschudding gezorgd in de galactische evolutietheorie, die hen niet kon voorspellen. "Ze kwamen niet opdagen in simulaties", zei van Dokkum. "Je moet iets speciaals doen om een sterrenstelsel zo groot en zwak te maken."
Er zijn wilde nieuwe theorieën ontstaan om uit te leggen hoe Dragonfly 44 en andere UDG's tot stand zijn gekomen. En deze gigantische lichtvlekken kunnen nieuw bewijs leveren van de onzichtbare hand van donkere materie.
Te veel donkere materie
Terwijl de zwaartekracht klonten gas en sterren samenbrengt, zorgen hun gecombineerde energieën en impulsen ervoor dat de mashup opblaast en roteert. Uiteindelijk ontstaat er een melkwegstelsel.
Er is maar één probleem. Terwijl sterrenstelsels roteren, zouden ze uit elkaar moeten vallen. Ze lijken niet genoeg massa te hebben - en dus zwaartekracht - om bij elkaar te blijven. Het concept van donkere materie is uitgevonden om de ontbrekende zwaartekracht te verschaffen. Op deze foto zit een sterrenstelsel in een groter conglomeraat van niet-lichtgevende deeltjes. Deze "halo" van donkere materie houdt het ronddraaiende sterrenstelsel bij elkaar.
Een manier om de rotatiesnelheid van een melkwegstelsel te schatten, en daarmee het gehalte aan donkere materie, is door de bolvormige sterrenhopen te tellen. "We weten niet waarom, vanuit een theoretisch oogpunt," zei Bennet, maar het aantal van deze "bolvormige sterrenhopen" correleert nauw met die moeilijker te meten eigenschappen. In de paper uit 2016 telde van Dokkum 94 bolvormige sterrenhopen binnen Dragonfly 44 - een aantal dat een buitengewoon grote halo van donkere materie impliceerde, ondanks hoe weinig zichtbare materie de melkweg heeft.
Niemand had ooit zoiets gezien. Van Dokkum en co-auteurs suggereerden dat Dragonfly 44 een "mislukte Melkweg" zou kunnen zijn: een sterrenstelsel met een halo van donkere materie ter grootte van een Melkweg die al vroeg een mysterieuze gebeurtenis onderging die het beroofde van zijn stervormende gas, waardoor het achterbleef met niets anders dan ouder wordende sterren en een gigantische halo.
Of geen donkere materie
Het object trok de aandacht van een ander kamp van astronomen die beweren dat donkere materie helemaal niet bestaat. Deze onderzoekers verklaren de ontbrekende zwaartekracht van sterrenstelsels door in plaats daarvan de zwaartekrachtwet van Newton aan te passen, een benadering die gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek of MOND wordt genoemd.
Volgens MOND wordt de gewijzigde zwaartekracht voor elk sterrenstelsel berekend op basis van de massa-tot-lichtverhouding van zijn sterren - hun totale massa gedeeld door hun helderheid. MOND-theoretici speculeren niet waarom de kracht van deze verhouding zou afhangen, maar hun ad-hocformule komt overeen met de waargenomen snelheden van de meeste sterrenstelsels, zonder de noodzaak om donkere materie op te roepen.
Toen het nieuws bekend werd over Dragonfly 44, pleitte MOND voor Stacy McGaugh, een astronoom aan de Case Western Reserve University, berekende uit zijn massa-lichtverhouding dat hij langzamer zou moeten roteren dan de aanvankelijke schatting van Van Dokkum aangaf. De MOND-berekening leek niet te passen bij de gegevens.
Introductie
Maar toen, in 2019, verlaagde de groep van Van Dokkum de rotatiesnelheid van Dragonfly 44 verbeterde gegevens gebruiken. MOND werd in het gelijk gesteld. "Dragonfly 44 is een voorbeeld van hoe deze gegevens evolueren om overeen te komen met MOND", zei McGaugh.
Toch impliceerde de lagere rotatiesnelheid voor de meerderheid van de astronomen, die in donkere materie geloven, dat de halo van Dragonfly 44 kleiner is dan ze dachten. In 2020 heeft een onafhankelijke groep de halo verder verkleind door te tellen dramatisch minder bolvormige sterrenhopen, maar van Dokkum betwist dit resultaat. Hoewel de grootte van de halo onzeker blijft, is hij mogelijk minder massief dan aanvankelijk werd aangenomen, wat suggereert dat Dragonfly 44 toch geen mislukte Melkweg is.
Grote oude melkweg
Een nieuw ontdekte eigenaardigheid heeft het mysterie verergerd.
In een krant gepubliceerd in augustus, ontdekte de groep van van Dokkum dat Dragonfly 44 extreem oud was, tussen 10 miljard en 13 miljard jaar geleden gevormd.
Maar zo'n oud sterrenstelsel zou niet zo groot moeten zijn als Dragonfly 44. Objecten uit het vroege universum zijn meestal compacter omdat ze zijn gevormd vóór de snelle uitdijing van het universum.
Bovendien zou zo'n oud, versleten sterrenstelsel nu volledig uit elkaar moeten zijn gescheurd. Dat Dragonfly 44 bij elkaar is gebleven, impliceert dat het toch een forse halo van donkere materie heeft, wat mogelijk de "mislukte Melkweg"-hypothese herstelt. "Dat is een heel leuke uitleg, dus daarom vind ik het leuk, maar ik weet niet of het klopt", zei van Dokkum.
Een andere verklaring, de 'hoge spin'-hypothese, stelt dat twee kleine sterrenstelsels samensmolten terwijl ze in dezelfde richting roteerden, zodat het resulterende sterrenstelsel, Dragonfly 44, het impulsmoment van beide kreeg. Dit zorgde ervoor dat het sneller roteerde, het uitblaasde en zijn sterrenvormende materiaal uitblies.
Verbluffend diverse UDG's
Tijdens het nauwkeurig onderzoek van Dragonfly 44 hebben astronomen ook een uitgebreide en diverse verzameling van andere ultradiffuse sterrenstelsels gecatalogiseerd. De bevindingen dwingen hen tot de conclusie dat sterrenstelsels zich op meer manieren vormen dan ze wisten.
Sommige pas ontdekte UDG's lijken helemaal geen donkere materie te hebben. Van Dokkums groep identificeerde zo'n sterrenstelsel in 2018, zag toen een spoor van anderen in de buurt. In mei, het team giste in NATUUR dat het spoor gevormd is in een lang geleden botsing van twee sterrenstelsels. De botsing vertraagde de gasstroom van de sterrenstelsels, maar hun donkere materie ging door alsof er niets was gebeurd. Het gas werd vervolgens samengeperst tot groepjes sterren en vormde uiteindelijk een reeks donkere materie-vrije sterrenstelsels.
Ondertussen Bennet ontdekte twee UDG's in 2018 wijzen die op een andere vormingstheorie. In beide gevallen lijken de getijdekrachten van een zwaar nabij sterrenstelsel door de UDG te zijn gescheurd, het uit te blazen en zijn gas te stelen. (Dit kan Dragonfly 44 niet verklaren, die te ver van zware sterrenstelsels staat.)
Raadselachtig, een septemberblad rapporteerden recente stervorming in een UDG, wat in tegenspraak was met het idee dat ze alleen oude sterren herbergen.
Zo'n reeks UDG's die er uiterlijk hetzelfde uitzien maar intern verschillen, kan de theorie van donkere materie valideren boven MOND. "Als de sterren heel snel bewegen in het ene sterrenstelsel en heel langzaam in het andere, is dat een groot probleem voor die alternatieve theorieën", zei van Dokkum.
McGaugh was het ermee eens dat als er "echte uitschieters" zijn onder de UDG-populatie, "dat inderdaad een probleem is voor MOND." Maar, voegde hij eraan toe, "dat betekent niet automatisch dat donkere materie een betere interpretatie is."
Voor definitieve antwoorden zijn nieuwe telescopen nodig. De nieuw operationele James Webb Space Telescope heeft al verre sterrenstelsels gespot zoals ze verschenen toen ze zich vormden in het vroege universum, wat zal helpen om de ontluikende ideeën te testen en te verfijnen.
"De grote afhaalmogelijkheid is dat we nog steeds niet weten wat daarbuiten is", zei van Dokkum. "Er zijn sterrenstelsels die we niet hebben ontdekt, die heel groot zijn, heel dichtbij zijn en ongebruikelijke eigenschappen hebben, en ze staan niet in onze huidige catalogi, zelfs niet na al die decennia van bestudering van de hemel."
