Maar de wetenschappers kunnen het bestaan van de sterrenstelsels nog steeds niet verklaren.

In 2018 deden astronomen een opmerkelijke ontdekking. Ze stuitten op een sterrenstelsel (NGC 1052-DF2) dat vrijwel geen donkere materie leek te bevatten. De vondst was opmerkelijk, omdat tot die tijd aangenomen werd dat alle sterrenstelsels door donkere materie gedomineerd werden. Sterker nog: astronomen dachten dat alle sterrenstelsels in enorme halo’s van donkere materie het levenslicht zagen.

Donkere materie
Donkere materie is een nog onbewezen materie die we niet kunnen zien. Dat deze materie bestaat, wordt dan ook afgeleid uit wat we wél kunnen zien. Heel concreet wordt daarbij gekeken naar snel roterende sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Deze draaien zo snel, dat je – afgaand op de materie die je kunt zien – zou verwachten dat ze uit elkaar zouden vliegen. Maar dat gebeurt niet. En dat zou toe te schrijven zijn aan onzichtbare materie die de boel – door wat extra massa te geven aan het sterrenstelsel – bij elkaar houdt.

Dat NGC 1052-DF2 geen donkere materie leek te herbergen, tornde dan ook behoorlijk aan alles wat we over sterrenstelsels en hun totstandkoming dachten te weten. Geen wonder dat de bevindingen direct in twijfel werden getrokken. Daarbij werd met name getwijfeld aan de bewering dat het sterrenstelsel op 64 miljoen lichtjaar afstand stond. En een jaar later verscheen zelfs een onderzoek dat concludeerde dat het sterrenstelsel veel dichterbij stond dan gedacht en toch voor een groot deel uit donkere materie moest bestaan.

Ongebruikelijke bevindingen
Maar nieuwe afstandsmetingen van ruimtetelescoop Hubble – de meest nauwkeurige ooit – tonen nu aan dat NGC1052-DF2 zelfs nog ietsje verder weg staat dan in 2018 werd gedacht. En dat versterkt het idee dat het sterrenstelsel nauwelijks donkere materie herbergt. “Ik denk dat het logisch is dat mensen onze bevindingen (uit 2018, red.) in twijfel trokken, omdat ze zo ongebruikelijk waren,” stelt onderzoeker Pieter van Dokkum. “Het zou mooi zijn als er een eenvoudige verklaring voor was, zoals een verkeerde afstandsmeting.” Maar dat lijkt dus niet het geval te zijn. En dat doet Van Dokkum goed. “Ik denk dat het veel leuker en interessanter is als het daadwerkelijk een vreemd sterrenstelsel is.

Afstand en donkere materie
Waarom is de afstand tussen ons en NGC 1052-DF2 zo bepalend voor de vraag of het sterrenstelsel donkere materie herbergt of niet? Het heeft alles te maken met de massa van sterrenstelsels. Zoals gezegd zijn sterrenstelsels normaliter opgebouwd uit zichtbare materie (denk aan sterren) en onzichtbare materie (donkere materie). De totale massa van het sterrenstelsel kun je berekenen door de bewegingen van de sterren te bestuderen; hun snelheden worden namelijk beïnvloed door de zwaartekracht (die weer voortvloeit uit de totale massa van het sterrenstelsel). Om de massa van alleen de zichtbare materie te kunnen berekenen, moet je de absolute helderheid van het sterrenstelsel vaststellen. Want hoe helderder een sterrenstelsel is, hoe meer sterren er in dat sterrenstelsel huizen en hoe groter de stellaire massa is. Maar om de absolute helderheid te kunnen vaststellen, moet je weten hoever het sterrenstelsel van ons verwijderd is. Want hoe verder een sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe minder helder het lijkt. Even terug naar NGC 1052-DF2. Daarvan werd in 2018 gesteld dat het zo’n 64 miljoen lichtjaar van ons verwijderd was. Het sterrenstelsel lijkt vanaf de aarde vrij lichtzwak, maar dat is grotendeels te herleiden naar de grote afstand tussen ons en het sterrenstelsel. Als je het sterrenstelsel van dichtbij zou kunnen bekijken, zou het behoorlijk helder zijn en dus veel sterren en een grote stellaire massa hebben. Zo groot zelfs dat de stellaire massa vrijwel gelijk is aan de totale massa van het sterrenstelsel en er dus nauwelijks donkere materie te vinden is. In 2019 stelden onderzoekers dat het sterrenstelsel veel dichter bij de aarde stond. In dat scenario zou het lichtzwakke sterrenstelsel dus ook echt niet zo helder en zwaar zijn. Het resultaat is een kleinere stellaire massa. De totale massa blijft ondertussen gelijk. En dus zou een groter deel van de totale massa voor rekening van donkere materie komen.

Maar nu hebben onderzoekers zich dus opnieuw over de afstand tussen ons en NGC 1052-DF2 gebogen. Ze bestudeerden met ruimtetelescoop Hubble de rode reuzen aan de randen van het sterrenstelsel. De helderheid van deze sterren gebruikten ze vervolgens om de afstand te berekenen. “Het bestuderen van de helderste rode reuzen is een veelgebruikte manier om de afstand tot nabije sterrenstelsels te berekenen,” aldus onderzoeker Zili Shen. En afgaand op de rode reuzen is NGC 1052-DF2 72 miljoen lichtjaar van ons verwijderd. Het is grofweg in lijn met de bevindingen uit 2018 en onderschrijft de conclusie dat de totale massa van het sterrenstelsel vrijwel geheel voor rekening van zichtbare materie komt.

De hele ijsberg
“Voor bijna elk sterrenstelsel waar we naar kijken is het zo dat we het grootste deel van de massa niet kunnen zien, omdat het donkere materie is,” stelt Van Dokkum. “Maar in dit geval is het: wat je ziet, is wat je krijgt. Ruimtetelescoop Hubble laat ons echt alles zien. Dat is het. Het is niet het topje van de ijsberg. Het is de hele ijsberg.”

Mysterie
Onduidelijk blijft ondertussen hoe dit sterrenstelsel vrijwel in afwezigheid van donkere materie is ontstaan. “Er is een gezegde dat stelt dat uitzonderlijke beweringen ook uitzonderlijk bewijs vereisen en de nieuwe afstandsmetingen onderschrijven onze eerdere conclusie dat DF2 donkere materie mist,” aldus Shen. “Nu moeten we die discussie over de afstand achter ons laten en ons gaan richten op hoe deze sterrenstelsels zijn ontstaan.”

Andere sterrenstelsels
Want het begint steeds duidelijker te worden dat NGC 1052-DF2 niet alleen is. Zo stelden onderzoekers in 2018 al dat ook het sterrenstelsel NGC 1052-DF4 vrijwel geen donkere materie lijkt te bevatten. En vorig jaar heeft een onafhankelijke onderzoeksgroep nog eens 19 dwergsterrenstelsels ontdekt die ook arm lijken te zijn aan donkere materie.

En de zoektocht naar sterrenstelsels met nauwelijks donkere materie gaat door. Want onderzoekers willen graag duidelijk krijgen hoe ‘gewoon’ deze nu nog vreemde eenden in de bijt zijn. En welke andere unieke eigenschappen ze mogelijk hebben. Dat kan namelijk meer inzicht geven in hoe ze zijn ontstaan. En tenslotte hopen onderzoekers door deze donkere materie-arme sterrenstelsels te vergelijken met sterrenstelsels die juist rijk zijn aan donkere materie ook meer duidelijkheid te krijgen over wat de nog altijd mysterieuze donkere materie nu precies is.

Hubble
De Hubble-data waarop deze studie gebaseerd is, zijn al enige tijd geleden verzameld. Op het moment is Hubble niet actief; de ruimtetelescoop heeft sinds zondag te maken met computerproblemen. NASA werkt hard om deze op te lossen.