Nederlandse onderzoekers namen de proef op de som.

Donkere materie is nog altijd een groot mysterie. We weten bijvoorbeeld nog niet of donkere materie een tastbaar deeltje is, of dat wat we waarnemen in het heelal de gevolgen zijn van subtiele afwijkingen van de ons bekende zwaartekrachtswetten. In een nieuwe studie namen onderzoekers de proef op de som in de hoop een antwoord te vinden op die prangende vraag.

Wat is donkere materie?
Donkere materie is een nog onbewezen materie die we niet kunnen zien (vandaar ook de naam). Dat deze materie bestaat, wordt dan ook afgeleid uit wat we wél kunnen zien. Denk bijvoorbeeld aan het afbuigen van sterlicht, het sneller dan verwacht bewegen van sterren en zelfs effecten die de beweging van hele sterrenstelsel beïnvloeden. Heel concreet wordt er bijvoorbeeld 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 alle hierboven beschreven effecten worden veroorzaakt door extra zwaartekracht, staat buiten kijf. Maar de grote vraag is: zien we nu eigenlijk de gevolgen van daadwerkelijke, aanwezige onzichtbare materie, of zijn het de wetten van de zwaartekracht zélf die we nog niet goed begrijpen? Om die vraag te kunnen beantwoorden, legden de onderzoekers verschillende donkerematerie-modellen en alternatieve zwaartekrachttheorieën langs de meetlat.

RAR
Allereerst gebruikten de onderzoekers metingen van de KiloDegree Survey (KiDs) waar de Chileense Very Large Telescope mee uitgerust is. Daarin wordt gemeten hoe sterlicht van ver weg gelegen sterrenstelsels onderweg door de zwaartekracht wordt afgebogen voordat het onze telescopen bereikt. De onderzoekers kozen meer dan 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels waarvan ze de zogeheten ‘Radial Acceleration Relation’ (RAR) konden meten. De RAR vergelijkt de hoeveelheid zwaartekracht die men zou verwachten op grond van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, met de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is. Kort gezegd wordt er bepaald hoeveel ‘extra’ zwaartekracht er bestaat, bovenop die van de normale materie.

Een grafiek van de Radial Acceleration Relation (RAR). Op de achtergrond een foto van het elliptische sterrenstelsel M87, om de afstand tot de kern van het sterrenstelsel aan te geven. De grafiek toont hoe de meetwaarden lopen van hoge zwaartekrachtsversnelling in het centrum van het sterrenstelsel, naar lage zwaartekrachtsversnelling ver buiten het sterrenstelsel. Afbeelding: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO

Op deze manier slaagden de onderzoekers erin de extra zwaartekracht extreem goed te meten. Maar nu de hamvraag: is die zwaartekracht een gevolg van onzichtbare donkere materie, of zijn het de zwaartekrachtwetten zelf die we moeten aanpassen? Volgens onderzoeker Kyle Oman lijkt het er in ieder geval deels op dat donkere materie weleens ‘echt spul’ kan zijn. “We vergelijken de metingen in ons onderzoek met vier verschillende modellen: twee waarin het bestaan van donkerematerie-deeltjes wordt aangenomen waarmee het heelal in computers wordt gesimuleerd, en twee waarin de zwaartekrachtwetten worden aangepast,” legt hij uit. “Eén van de twee donkerematerie-simulaties doet voorspellingen die uitstekend in overeenstemming zijn met onze metingen.”

Gelijk spel
Hiermee lijkt dus ten minste één donkerematerie-verklaring goed te passen. Al is het laatste woord hierover nog niet gezegd. Want ook de alternatieve zwaartekrachtsmodellen voorspellen namelijk de gemeten RAR. Gelijk spel dus… Maar hoe weten we nu welk model écht klopt?

Sterrenstelsels
De onderzoekers besloten de 259.000 sterrenstelsels op te splitsen in verschillende types: relatief jonge blauwe spiraalvormige stelsels tegenover relatief oude rode elliptische stelsels, die beide een heel verschillende vormingsgeschiedenis hebben. “Men verwacht binnen de deeltjestheorie van donkere materie dat de verhouding tussen normale en donkere materie in die twee typen sterrenstelsels kan verschillen,” legt onderzoeksleider Margot Brouwer uit. Daarentegen voorspellen alternatieve zwaartekrachtsmodellen een vaste relatie tussen de verwachte en gemeten zwaartekracht. En wat blijkt? “We ontdekten dat de RAR voor de twee typen sterrenstelsels significant verschilde,” zegt Brouwer. “Dat zou dus een sterke aanwijzing voor donkere materie als deeltje kunnen zijn.”

In het midden het elliptische sterrenstelsel NGC5982, rechts daarvan het spiraalvormige sterrenstelsel NGC5985. Deze twee soorten sterrenstelsels blijken zich heel verschillend te gedragen als het gaat om de extra zwaartekracht – en dus mogelijk de donkere materie – in de buitengebieden van de stelsels. Foto: Bart Delsaert

Toch zijn we er zelfs dan nog niet. Want veel sterrenstelsels worden waarschijnlijk omhuld door een diffuse wolk heet gas, die heel moeilijk waar te nemen is. Als er rondom de jonge blauwe spiraalstelsels bijna geen gas zit, maar rondom de oude rode elliptische stelsels juist veel (met grofweg evenveel massa als de sterren), dan zou dat het verschil tussen de RAR van de twee typen sterrenstelsels kunnen verklaren. Om een definitieve uitspraak te doen over het gemeten verschil moet de hoeveelheid diffuus gas dus óók nauwkeurig worden gemeten. En laat dat nu net onmogelijk zijn met de KiDS-telescopen.

Eerder een deeltje
Er zijn echter wel metingen gedaan voor een kleine groep van zo’n honderd sterrenstelsels, waarbij inderdaad meer gas gevonden werd rond elliptische sterrenstelsels. Maar het is nog de vraag hoe representatief die metingen zijn voor de 259.000 stelsels die in het huidige onderzoek werden bestudeerd. Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee typen stelsels níét kan verklaren, dan lijkt het meer voor de hand liggend dat donkere materie een deeltje is en geen alternatieve zwaartekracht. Toch is zelfs dan de wedstrijd nog niet gespeeld. Hoewel het verschil lastig te verklaren is binnen de alternatieve zwaartekrachttheorieën, hebben de betreffende wetenschappers aangegeven graag de uitdaging aan te gaan om het probleem op te lossen.

Stap voorwaarts
Zelfs met de nieuwe metingen is de strijd tussen donkere materie als deeltje en alternatieve zwaartekracht dus nog niet beslecht. Toch zijn de resultaten volgens de onderzoekers een enorme stap voorwaarts. Als het gemeten zwaartekrachtsverschil tussen de diverse soorten sterrenstelsels namelijk klopt, dan zal het juiste model, van welke soort ook, in elk geval nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit te verklaren. Veel bestaande modellen zouden dan al direct de prullenbak in kunnen. En dat dunt het landschap van mogelijke verklaringen sterk uit.

Ondertussen moeten we een manier zien te vinden om betere metingen te verrichten van het hete gas rond sterrenstelsels. “We hebben als waarnemers het punt bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie,” legt onderzoeker Edwin Valentijn uit. “De tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de vorm  van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken, voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere materie definitief op kunnen lossen.”