Hebben alle sterrenstelsels donkere materie?

Martin Knops:

Dark matter/ donkere materie in het heelal blijft een issue.

Sterrenstelsels zonder donkere materie zouden een sleutel zijn in (het huidige) begrip van hoe sterrenstelsels zich vormen en evolueren. Maar volgens sommige onderzoekers houdt het bewijs voor deze donkere materie-deficiëntie sterrenstelsels niet stand.

Citaat uit het artikel:

“De sterrenstelsels wijzen op een alternatief kanaal voor het bouwen van sterrenstelsels – en ze roepen zelfs de vraag op of we begrijpen wat een sterrenstelsel is’, zegt van Dokkum. Op dit moment denken we dat sterrenstelsels beginnen met donkere materie, en dat is hoe ze door de zwaartekracht de enorme hoeveelheden gas en stof kunnen aantrekken die nodig zijn om stervorming op gang te brengen.

‘Het punt is dat we geen idee hebben hoe stervorming zou verlopen zonder donkere materie’, zegt van Dokkum. “Alles wat we kunnen zeggen is dat er al vroeg in hun geschiedenis zeer dicht gas moet zijn geweest”, anders zouden sterrenstelsels zonder donkere materie geen nieuwe sterren kunnen creëren.

Maar is deze laatste afstandsbepaling tot DF4 echt robuust genoeg om te beginnen met het verkennen van de implicaties van het vinden van een sterrenstelsel zonder donkere materie?

“Ja, dat is onze hoop. We willen graag verhuizen om te bespreken wat deze sterrenstelsels betekenen, in plaats van of onze metingen correct waren ‘, zegt Danieli.

“Dat gezegd hebbende, ‘voegt ze eraan toe,’ zijn we het volledig met iedereen eens dat ‘uitzonderlijke claims buitengewone bewijzen vereisen’.””


Zie ook het werk van de Nederlandse bekende hoogleraar Erik Verlinde

Hebben alle sterrenstelsels donkere materie.

Door de ontdekking van twee spookachtige sterrenstelsels ontstond er een hullabaloo in de astronomische gemeenschap. Maar de jury weet nog niet wat er echt aan de hand is.

Schrijft Jake Parks  | op Astronomy.com

— Lees op Astronomy Magazine


Martin Knops:

Hieronder volgt de Nederlandse (Google) vertaling van het Engelse artikel:

RELATED TOPICS: DARK MATTER

Ongeveer 60 miljoen lichtjaar van de aarde – naar schatting van sommige onderzoekers althans – veroorzaken een paar vreemde sterrenstelsels kosmische beroering. Deze eilanduniversa bevatten veel minder sterren dan je gemiddelde sterrenstelsel. Maar het is niet het gebrek aan sterren dat astronomen verrast. De bizarre sterrenstelsels, genaamd NGC 1052-DF2 en NGC 1052-DF4 (of kortweg DF2 en DF4), lijken ook een aanzienlijke hoeveelheid donkere materie te missen.

Omdat het duo de eerste bekende sterrenstelsels zou kunnen zijn zonder de stof, die goed is voor 85 procent van de materie van het universum, verspreidde het nieuws over de ontdekking van DF2 in 2018 zich snel door de astronomische gemeenschap. Als dit wordt bevestigd, zouden dergelijke sterrenstelsels zonder donkere materie ons begrip van hoe sterrenstelsels ontstaan en evolueren in de war sturen.

“We dachten dat elk sterrenstelsel donkere materie had en dat donkere materie is hoe een melkwegstelsel begint”, zei astrofysicus Pieter van Dokkum van de Yale University, hoofdauteur van de eerste paper over DF2, in een persbericht. ‘Deze onzichtbare, mysterieuze substantie is het meest dominante aspect van elk sterrenstelsel. Dus een sterrenstelsel zonder vinden is onverwacht. Het daagt de standaardideeën uit over hoe we denken dat sterrenstelsels werken, en het laat zien dat donkere materie echt is: het heeft zijn eigen afzonderlijke bestaan afgezien van andere componenten van sterrenstelsels. ”

De Hubble-ruimtetelescoop is al drie decennia een van de meest productieve werkpaarden in de astronomie. Hoewel het einde van zijn leven nadert, voert het nog steeds geweldige wetenschap uit

Maar zoals Carl Sagan graag zei: buitengewone claims vereisen buitengewoon bewijs. En volgens sommige onderzoekers houdt het bewijs voor deze donkere materie-deficiënte sterrenstelsels niet stand.

Wat is DF2?

DF2, het eerste bekende sterrenstelsel dat vermoedelijk verstoken is van donkere materie, maakt deel uit van een unieke klasse van sterrenstelsels die ultradiffuse sterrenstelsels (UDG’s) worden genoemd. Hoewel UDG’s zo groot kunnen worden als de Melkweg, bevatten deze wazige specters honderden tot duizenden keren minder sterren. En omdat ze in wezen transparant zijn, zijn ze voor astronomen buitengewoon moeilijk om in detail te observeren.

The science behind dark matter. (Martin Knops, klik op de link voor nadere info)

De relatief onschadelijke DF2 viel voor het eerst op bij onderzoekers toen ze hem identificeerden met behulp van de Dragonfly Telephoto Array. Deze robotcollectie van Canon 400 mm telelenzen vormt samen een nieuwe telescoop die bijzonder bedreven is in het weergeven van uitgestrekte en extreem zwakke structuren. Toen de onderzoekers DF2 met Dragonfly observeerden, merkten ze dat de melkweg er anders uitzag dan op foto’s gemaakt met de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). In de Dragonfly-afbeeldingen zag DF2 eruit als een klodder zwak en diffuus licht, maar in de SDSS-afbeeldingen verscheen het als een groep puntachtige bronnen.

Sterrenstelsels met donkere materie. In diffuse sterrenstelsels draaien bolvormige sterrenhopen meestal niet rond hun sterrenstelsels in cirkelvormige paden zoals in spiraalstelsels. In plaats daarvan hebben ze een reeks radiale banen die ze alle kanten op dragen. Als donkere materie een diffuus sterrenstelsel domineert, zouden de globula’s daarin relatief snel moeten bewegen, zoals hierboven te zien is.

Om deze discrepantie te onderzoeken, observeerde het team van van Dokkum DF2 met behulp van de Advanced Camera for Surveys on the Hubble Space Telescope en voerde follow-up spectroscopische observaties uit met de Keck Telescope.

‘Ik staarde een uur lang alleen maar naar het Hubble-beeld’, zei Van Dokkum. “Het is zo zeldzaam, vooral tegenwoordig na zoveel jaren van Hubble, dat je ergens een beeld van krijgt en je zegt:” Ik heb dat nog nooit eerder gezien. “Dit ding is verbazingwekkend – een gigantische klodder waar je doorheen kunt kijken. Het is zo schaars dat je alle sterrenstelsels erachter ziet. Het is letterlijk een doorzichtig sterrenstelsel. ‘

Met behulp van de Hubble-gegevens maten van Dokkum en zijn team de fluctuaties in de helderheid van het oppervlak van de melkweg, wat een rudimentaire afstandsindicator is die is gebaseerd op het feit dat verder weg gelegen sterrenstelsels er uniformer uitzien qua helderheid. Hieruit berekenden de onderzoekers dat DF2 ongeveer 65 miljoen lichtjaar van ons verwijderd is.

Vervolgens identificeerde het team van van Dokkum op basis van de Keck-gegevens bolvormige clusters (grote, bolvormige groepen oude sterren) binnen DF2. Verrassend genoeg ontdekten ze dat de bolhopen in een slakkentempo bewogen in vergelijking met wat we zouden zien als de melkweg vol donkere materie zou zitten. Als DF2 meer donkere materie zou hebben, zegt Van Dokkum, zou de grotere zwaartekracht ervoor zorgen dat deze clusters ongeveer drie keer sneller bewegen dan zij.

Het besef dat DF2 weinig of geen donkere materie lijkt te hebben, heeft de onderzoekers overrompeld omdat het het eerste gevonden sterrenstelsel is dat het alomtegenwoordige materiaal mist. ‘Er is geen theorie die dit soort sterrenstelsels voorspelde. De melkweg is een compleet mysterie, omdat alles er vreemd aan is ”, aldus van Dokkum. ‘Hoe je een van deze dingen eigenlijk vorm geeft, is volkomen onbekend.’

Niet iedereen is het er echter over eens dat DF2 zijn donkere materie mist.

Debatteren over de afstand van DF2

“Iets dat al heel vroeg mijn aandacht trok, was het feit dat het sterrenstelsel niet alleen abnormaal was omdat het geen donkere materie had, maar ook omdat het een buitengewoon heldere populatie van bolhopen had”, zegt Ignacio Trujillo van het Instituto de Astrofísica de Canarias, die leidde de hoofdstudie die de bizarre aard van DF2 uitdaagde. “Ik herinner me dat ik dacht:‘ Twee afwijkingen zien er tegelijkertijd heel vreemd uit ’. ‘Dit bracht Trujillo ertoe na te denken of DF2 echt zo ver verwijderd is als het team van van Dokkum denkt.

Hubble legde dit prachtige beeld van het transparante sterrenstelsel DF2 vast met zijn geavanceerde camera voor enquêtes.

Als DF2 ongeveer 65 miljoen lichtjaar verwijderd zou zijn, zoals Van Dokkum vermoedt, dan zou het een sterke kandidaat zijn voor het eerste voorbeeld van een sterrenstelsel zonder donkere materie. Maar Trujillo zegt dat als DF2 dichterbij zou komen, de waargenomen eigenschappen van de melkweg min of meer in lijn zouden vallen met wat verwacht wordt van je typische door donkere materie gedomineerde melkwegstelsel.

Om hun theorie te testen, gingen Trujillo en zijn team op pad om onafhankelijk de afstand tot DF2 te bepalen met behulp van vijf verschillende methoden – allemaal met een verschillende mate van betrouwbaarheid.

De Bullet Cluster illustreert hoe donkere materie een scheidbare stof is. Toen twee gigantische clusters van sterrenstelsels met elkaar in botsing kwamen, zat normale materie (roze) gevangen tussen niet-interagerende wolken van donkere materie (blauw).

Maar van Dokkum is niet overtuigd door deze concurrerende afstandsbepaling.

In augustus 2018 publiceerde zijn team als reactie daarop nog een paper. Daarin beweren ze dat Trujillo’s “vijf ‘onafhankelijke metingen’ een beetje misleidend zijn.” Van Dokkum zegt bijvoorbeeld: ‘Drie ervan zijn cirkelvormig, in de zin dat de auteurs beweren dat de eigenschappen van de melkweg minder vreemd zouden zijn als ze van dichterbij zouden zijn.’ Bovendien, betoogt van Dokkum, baseerde het kamp op korte afstand hun meest overtuigende afstandsschatting op een “fantoom” TRGB die bijna twee keer zo helder is als de echte TRGB van de melkweg. Dit, zegt Van Dokkum, heeft het team van Trujillo ertoe gebracht een afstand tot DF2 te berekenen die slechts ongeveer 70 procent van de werkelijke waarde is.

Nadat ze hadden laten zien waarom ze denken dat Trujillo’s kortere afstand tot DF2 te wijten was aan mengsels in de TRGB-gegevens – waarbij meerdere sterren bij elkaar werden geteld als een enkele, felrode reus – ging het team van van Dokkum verder met het leveren van een nieuwe afstandsmeting aan DF2 waarvan ze beweren dat het onafhankelijk is van kalibratie-onzekerheden. Hun resultaat: DF2 is ongeveer 61 miljoen lichtjaar verwijderd, wat zou betekenen dat DF2 nog steeds een verwaarloosbare hoeveelheid donkere materie heeft.

Hoe zit het met DF4?

Maar daar hield het debat niet op.

Van Dokkum en zijn team vonden na deze academische heen-en-weer een tweede sterrenstelsel, DF4, dat bijna een kloon is van DF2 in termen van grootte, oppervlaktehelderheid, morfologie, locatie en afstand. Maar het belangrijkste is dat DF4 eveneens een duidelijk tekort aan donkere materie heeft.

Om te bepalen hoe snel de bolhopen in DF2 bewogen, analyseerden de onderzoekers de absorptielijnen in het spectrum van elk bolhoop. Dit onthulde aanwijzingen over de bewegingen van de clusters en onderzoekers gebruikten deze informatie vervolgens om de totale massa van de melkweg te berekenen.

Gemini Observatory/NSF/AURA/W.M. Keck Observatory/Jen Miller/Joy Pollard

Met behulp van de Keck-telescoop om de beweging en snelheid van het diffuse gas van DF4 te meten, evenals zeven van zijn bolhopen, heeft het team van van Dokkum berekend dat de afstand van DF4 vergelijkbaar is met die van DF2 – ongeveer 65 miljoen lichtjaar ver weg zwevend, geef of neem ongeveer 9 miljoen lichtjaar.

“We concluderen dat NGC 1052-DF2 geen op zichzelf staand geval is, maar dat er een klasse van dergelijke objecten bestaat”, schreef het team van van Dokkum in hun DF4-ontdekkingsdocument. “De oorsprong van deze grote, zwakke sterrenstelsels met een overmaat aan lichtgevende bolhopen en een duidelijk gebrek aan donkere materie wordt momenteel niet begrepen.”

Maar nogmaals, Trujillo en zijn team berekenden hun eigen afstand tot DF4. Op basis van de destijds beschikbare Hubble-gegevens identificeerden ze wat volgens hen de TRGB van DF4 is. Dit bracht hen tot de conclusie dat DF4 ongeveer 46 miljoen lichtjaar verwijderd is, wat zou betekenen dat de bolvormige sterrenhopen eigenlijk niet zo vreemd zijn en in plaats daarvan vergelijkbaar zijn met die in de Melkweg en elders.

“Al met al”, concludeerde het team van Trujillo in hun antwoorddocument, “is de stelling dat zowel NGC 1052-DF2 als NGC 1052-DF4‘ donkere materie missen ’nog lang niet op een vaste voet geplaatst.”

Hubble kijkt nog een keer

Om te bepalen of Trujillo’s team de echte TRGB van DF4 had geïdentificeerd, gebruikte de groep van Dokkum in de zomer van 2019 het scherpe oog van Hubble om nieuwe, diepe beelden van DF4 te verzamelen. Op 16 oktober plaatsten ze nog een paper, dat is ingediend bij The Astrophysical Journal Letters, op de preprint-site arXiv. Gebaseerd op de nieuwe Hubble-gegevens, die veel meer, veel zwakkere sterren hebben opgepikt, beweert de krant dat het kamp voor de korte afstand opnieuw de helderste rode reuzensterren van de DF4 verkeerd identificeerde, wat leidde tot een kortere afstand.

“In de nieuwe gegevens is er echt geen dubbelzinnigheid”, zegt studie-auteur Shany Danieli van Yale, de collega van van Dokkum. “We denken dat de nieuwe gegevens de optie [kortere afstand] echt uitsluiten.”

Sterren aan de punt van de rode reuzentak (rood omcirkeld) stralen allemaal met bijna dezelfde intrinsieke helderheid wanneer ze worden bekeken in een bepaalde lichtband, ondanks verschillen in samenstelling of massa. Dus als je meet hoe helder deze sterren verschijnen, kun je een goede schatting krijgen van hun afstand

Astronomy: Roen Kelly

Ik denk dat dit definitief is ‘, zegt van Dokkum. “Over de TRGB kan niet worden gediscussieerd: het wordt veroorzaakt door goed begrepen sterrenfysica en [is] zo direct als afstandsindicatoren krijgen.”

Maar na het herzien van het nieuwe onderzoek, is Trujillo nog steeds twijfelachtig over de conclusie van de studie. “Op dit moment blijf ik enorm sceptisch over hun uitkomst van een lange afstand voor DF4”, zegt Trujillo. ‘Het eerste dat u moet opmerken is dat dit document nog steeds niet is [geaccepteerd] door de scheidsrechter en / of het dagboek’, legt hij uit. ‘Het is alleen ingediend; daarom kunnen verdere inhoudelijke wijzigingen worden verwacht na een zorgvuldige lezing door de scheidsrechter. ”

Dan is er ook de vraag hoe het langeafstandskamp van van Dokkum heeft geselecteerd welke van de DF4-sterren ze zouden opnemen in hun TRGB-analyse, wat nog een ander twistpunt is. “Ik denk dat er een aantal keuzes zijn die [van de groep van Dokkum] heeft gebruikt die niet gerechtvaardigd zijn”, zegt Trujillo. “Al deze keuzes lijken te zijn gekozen om een grotere afstand te prefereren dan wat de gegevens suggereren.”

Een van die keuzes, legt Trujillo uit, is dat de kwaliteitssnedes van het team van Dokkum waarmee ze kozen welke sterren in hun analyse waren opgenomen, veel sterren lijken te negeren. Een ander, voegt hij eraan toe, is dat het team van van Dokkum ‘een voorselectie van hun sterren heeft gemaakt op basis van de kleuren’ en dat ze niet uitleggen waarom of hoe dat hun uitkomst beïnvloedt. Beide keuzes, zegt Trujillo, kunnen de afgeleide afstand tot DF4 sterk beïnvloeden.

After imaging DF2 and DF4 with the Dragonfly Telephoto Array, scientists used Keck Telescope in Hawaii to spectroscopically measure the velocity of the galaxies’ globular clusters, revealing they lack dark matter.

Wat is het volgende?

Dus in dit stadium is het antwoord op de vraag of DF2 en DF4 al dan niet donkere materie hebben, nog grotendeels in de lucht. Maar net voordat dit nummer ter perse ging, meldde nieuw onderzoek dat op 25 november in Nature Astronomy werd gepubliceerd, de ontdekking van 19 dwergstelsels die eveneens een ernstig gebrek aan donkere materie lijken te hebben. Dus houd ons in de gaten voor meer informatie in een later nummer.

Maar wat er ook werkelijk met deze sterrenstelsels zonder donkere materie gebeurt, zegt van Dokkum: “Het bredere punt is dat dit fascinerende sterrenstelsels zijn en dat alle aspecten van onze bevindingen zeker in twijfel moeten worden getrokken en onderzocht.”

Dus als deze laatste resultaten het onderzoek dat waarschijnlijk zal komen volhouden, dan zou het vinden van sterrenstelsels die donkere materie missen ons begrip van hoe we denken dat sterrenstelsels zich vormen en evolueren, volledig veranderen.

‘De sterrenstelsels wijzen op een alternatief kanaal voor het bouwen van sterrenstelsels – en ze roepen zelfs de vraag op of we begrijpen wat een sterrenstelsel is’, zegt van Dokkum. Op dit moment denken we dat sterrenstelsels beginnen met donkere materie, en dat is hoe ze door de zwaartekracht de enorme hoeveelheden gas en stof kunnen aantrekken die nodig zijn om stervorming op gang te brengen.

‘Het punt is dat we geen idee hebben hoe stervorming zou verlopen zonder donkere materie’, zegt van Dokkum. “Alles wat we kunnen zeggen is dat er al vroeg in hun geschiedenis zeer dicht gas moet zijn geweest”, anders zouden sterrenstelsels zonder donkere materie geen nieuwe sterren kunnen creëren.

Maar is deze laatste afstandsbepaling tot DF4 echt robuust genoeg om te beginnen met het verkennen van de implicaties van het vinden van een sterrenstelsel zonder donkere materie?

“Ja, dat is onze hoop. We willen graag verhuizen om te bespreken wat deze sterrenstelsels betekenen, in plaats van of onze metingen correct waren ‘, zegt Danieli.

“Dat gezegd hebbende, ‘voegt ze eraan toe,’ zijn we het volledig met iedereen eens dat ‘uitzonderlijke claims buitengewone bewijzen vereisen’. “


Geef een reactie