Het veronderstelde unieke sterrenstelsel blijkt toch heel gewoontjes.

Een aantal jaar geleden kwamen onderzoekers met een sensationele ontdekking op de proppen. Ze zouden namelijk een sterrenstelsel hebben gevonden dat voor maar liefst 99,99 procent uit raadselachtige donkere materie zou bestaan. Dat is echter iets te fantastisch, zo beweert een nieuwe studie nu. Want het omstreden sterrenstelsel blijkt nu toch veel minder spectaculair dan gedacht.

Dragonfly 44
We hebben het over het sterrenstelsel Dragonfly 44, een stelsel in de Comacluster. Het sterrenstelsel staat op ongeveer 320 miljoen lichtjaar van de Aarde. In 2016 kwamen onderzoekers met de vrij opmerkelijke bevinding dat het sterrenstelsel vrijwel alleen uit donkere materie zou bestaan. Dragonfly 44 zou voor 99,99% uit deze raadselachtige materie zijn opgebouwd, en voor slechts een honderdste procent uit zichtbare sterren. Sterren zijn er dus – zacht uitgedrukt – maar mondjesmaat. “Als je kijkt naar onze Melkweg, dan moet je van iedere honderd sterren er slechts één bewaren,” zei onderzoeker Pieter van Dokkum van de Yale Universiteit destijds. “Dan kom je in de buurt van de verdeling van sterren in Dragonfly 44.” De onderzoekers baseerden hun conclusie op basis van het aantal bolvormige sterrenhopen rond het stelsel, dat bepalend is voor de grootte van de halo van donkere materie.


Wat zijn bolvormige sterrenhopen?
Bolvormige sterrenhopen zijn het beste te omschrijven als grote ballen, bestaande uit sterren. Ze draaien rond het centrum van sterrenstelsels. Zo’n bolhoop bestaat uit honderdduizenden – vaak oudere – sterren. Ze blijven bij elkaar door hun eigen zwaartekracht. Alleen in de Melkweg bevinden zich al zo’n 150 tot 180 bolvormige sterrenhopen. Het totale aantal bolvormige sterrenhopen is gerelateerd aan de totale massa van een sterrenstelsel. Dit betekent dat als het aantal bolvormige sterrenhopen wordt gemeten, de hoeveelheid donkere materie kan worden gevonden. Onderzoekers hebben echter geen fysieke verklaring voor deze relatie tussen het totale aantal bolvormige sterrenhopen en de totale massa van een sterrenstelsel. Dit is puur observationele kennis. Het is nou eenmaal gewoon zo dat zwaardere sterrenstelsels meer bolvormige sterrenhopen hebben en lichtere sterrenstelsels minder.

Een nieuw onderzoeksteam zette echter vraagtekens bij deze ontdekking. “In de jonge jaren van ons universum begonnen deeltjes donkere materie zich op te hopen en vormden halo’s,” legt onderzoeker Teymoor Saifollahi in een interview met Scientias.nl uit. “Later trokken deze halo’s gas aan dat heet werd, waardoor de eerste sterren ontstonden. Dit mengsel van donkere materie, gas en sterren waren de eerste sterrenstelsels. Hoe meer donkere materie een halo overigens herbergt, hoe meer gas er wordt aangetrokken en hoe meer sterren er ontstaan. Bovendien trekken zwaardere halo’s meer gas aan, waardoor er sneller sterren worden gevormd. Dit betekent dat kleinere halo’s over meer donkere materie beschikken in vergelijking met de hoeveelheid sterren. In dit scenario kan een dwergstelsel 100-1000 keer meer donkere materie dan sterren bevatten. Maar dat Dragonfly 44 10.000 keer meer donkere materie dan sterren zou herbergen (99,99 procent donkere materie) is simpelweg niet mogelijk. Als dit sterrenstelsel inderdaad net zo massief is als de Melkweg, hoe kon het dan niet genoeg gas aantrekken en sterren vormen, terwijl andere zware sterrenstelsels dat wel konden?”

Ontkracht
De onderzoekers besloten de kwestie nogmaals grondig te onderzoeken en wederom de hoeveelheid donkere materie in Dragonfly 44 te bepalen. En dat leidt tot een hele andere conclusie. Het totale aantal bolvormige sterrenhopen rond Dragonfly 44, en dus het gehalte donkere materie, is veel minder dan de eerdere studie had gesuggereerd. “Het feit dat we in ons werk slechts 20 bolvormige sterrenhopen ontdekten vergeleken met de 80 die eerder werden gesuggereerd, vermindert drastisch de hoeveelheid donkere materie die het sterrenstelsel zou bevatten,” legt Saifollahi uit. “Op basis van onze metingen heeft Dragonfly 44 voor 1 gram sterren ongeveer 200 tot 300 gram donkere materie.” De verhouding tussen zichtbare en donkere materie is dus niet langer 1 op 10.000, maar 1 op 300. “Dit is nog steeds veel donkere materie, maar dat hadden we ook verwacht,” gaat Saifollahi verder. “In totaal is de hele massa van het stelsel ongeveer 100 miljard keer zo zwaar als de zon.” En met deze bevinding is het bestaan van het sterrenstelsel dat voor 99,99 procent uit donkere materie zou bestaan, ontkracht.

Beeld van de Hubble Ruimtelescoop van het ultradiffuse sterrenstelsel Dragonfly44 (DF44). Credit: T. Saifollahi and NASA/HST

Het betekent dat de hoeveelheid donkere materie in Dragonfly 44 overeenkomt met wat wordt verwacht voor dit type sterrenstelsel. “Dragonfly 44 is al die jaren een anomalie geweest die niet kon worden verklaard met bestaande modellen over de vorming van sterrenstelsels,” zegt Saifollahi. “Nu weten we dat de eerdere resultaten onjuist waren en dat Dragonfly 44 geen buitenbeentje is.” De vraag is echter wat er bij de vorige onderzoeksgroep precies mis is gegaan. “In de eerdere studie hebben de onderzoekers op een bepaald moment in hun analyse een aanname gedaan over de distributie van bolvormige sterrenhopen,” licht Saifollahi desgevraagd toe. “Deze aanname is gebaseerd op wat we weten over dwergstelsels. In ons werk hebben we echter geprobeerd om deze bolvormige sterrenhopen zorgvuldiger te tellen en niet zomaar iets aan te nemen. Interessant is dat de gemeten waarde van de uitbreiding van de bolvormige sterrenhopen kleiner was dan in het onderzoek uit 2017. En dat is de belangrijkste reden waarom ze de fout in gingen.”


Implicaties
De bevindingen uit de studie hebben belangrijke implicaties. Zo tonen de onderzoekers nu bijvoorbeeld aan dat Dragonfly 44 een doodgewoon dwergsterrenstelsel is, met de bijbehorende hoeveelheid donkere materie. “De gemeten verhouding tussen de donkere materie en de aanwezige sterren is heel kenmerkend voor dwergstelsels, die doorgaans een zwakke en lage massa hebben,” stelt Saifollahi. Bovendien is Dragonfly 44 dus helemaal niet net zo massief als onze Melkweg. “Zijn massa lijkt op die van de Grote Magelhaense wolk, een satellietstelsel van de Melkweg die ook als dwerg wordt gezien,” stelt Saifollahi. “Daarnaast zijn de bolvormige sterrenhopen geconcentreerd in het centrum van het sterrenstelsel. En dat is interessant voor toekomstig onderzoek naar Dragonfly 44 en soortgelijke objecten.”

Dragonfly 44 is dus noch uniek, noch abnormaal. En hoewel dat misschien niet zo spectaculair klinkt, is het toch een interessante ontdekking. Bovendien kunnen we hier ook iets van leren. “De algemene les is dat ook wetenschappers fouten kunnen maken,” zegt Saifollahi. “Maar andere wetenschappers zullen gaan graven en in staat zijn om die fouten vervolgens aan het licht te brengen. Vertrouw dus op wetenschappers, of het nu een astronoom, klimaatfysicus of bioloog is,” besluit de onderzoeker.

Wist je dat…

…er ook al eerder werd geclaimd dat sterrenstelsel NGC 1052-DF2 juist bijna géén donkere materie herbergde? Deze bevinding deed wenkbrauwen fronsen. Wetenschappers gingen er namelijk vanuit dat elk sterrenstelsel donkere materie had. Sterker nog: elk sterrenstelsel zou met donkere materie beginnen. Uiteindelijk bleken ook deze resultaten niet correct: NGC 1052-DF2 zou toch gewoon donkere materie bevatten.