Dit had niemand zien aankomen.

“Wij dachten dat elk sterrenstelsel donkere materie had,” stelt onderzoeker Pieter van Dokkum. Sterker nog: astronomen gaan ervan uit dat elk sterrenstelsel met donkere materie begint. En dus leek het vinden van een sterrenstelsel zonder donkere materie uitgesloten. Tot Van Dokkum en collega’s met een zelfgebouwde telescoop op het sterrenstelsel NGC 1052-DF2 stuitten. Het stelsel bevat vrijwel geen donkere materie.

Wat is donkere materie?

Naar schatting bestaat ongeveer 27 procent van de totale hoeveelheid materie of energie uit donkere materie. Dit is een hypothetische – oftewel nog onbewezen – materie die we niet kunnen zien. Het bestaan van donkere materie is dus nog niet bewezen én we kunnen het niet zien. Waarom vermoeden onderzoekers dan toch dat het er is? Wanneer we naar sommige sterrenstelsels of clusters van sterrenstelsels kijken, zien we dat deze zeer snel roteren. Dat gaat zo snel dat je – afgaand op wat je kunt zien – zou verwachten dat ze uit elkaar vliegen. Maar dat gebeurt niet. En dat zou toe te schrijven zijn aan een onzichtbare materie – donkere materie – die de boel door wat extra massa te geven aan het sterrenstelsel bij elkaar houdt.

Weinig sterren
NGC 1052-DF2 is ongeveer net zo groot als onze Melkweg, maar herbergt ongeveer 200 keer minder sterren. Dit type sterrenstelsel – ook wel ultra-diffuus genoemd – was ons al bekend, maar eerder ontdekte exemplaren bevatten wél donkere materie. “Deze onzichtbare, mysterieuze substantie is het meest dominante aspect van een sterrenstelsel,” aldus Van Dokkum. “Dus we hadden niet verwacht een sterrenstelsel zonder die substantie te vinden. Het trekt de standaard ideeën die we hebben over hoe sterrenstelsels werken, in twijfel.”

Geen ruimte voor donkere materie
NGC 1052-DF2 herbergt ongeveer 400 keer minder donkere materie dan onderzoekers hadden verwacht. “De sterren in het sterrenstelsel zijn verantwoordelijk voor alle massa en er lijkt geen ruimte te zijn voor donkere materie,” aldus Van Dokkum.

Bewijs voor donkere materie
De ontdekking van NGC 1052-DF2 is belangrijk. “De ontdekking is relevant omdat sommige wetenschappers aannemen dat donkere materie niet echt bestaat, maar wordt veroorzaakt doordat zwaartekracht anders werkt op grote afstanden. Dergelijke theorieën konden tot nu toe de waarnemingen verrassend goed verklaren, maar ze hebben wel de aanname dat alle stelsels donkere materie moeten bevatten. Dit stelsel heeft dat niet, en dit is dus een eerste direct bewijs dat alternatieve zwaartekracht-theorieën niet werken voor sterrenstelsels.”

De theorie van Erik Verlinde

Wie een beetje thuis is in de hele donkere materie-kwestie moet wellicht ook even terugdenken aan het werk van Erik Verlinde, die in 2016 met een theorie op de proppen kwam die donkere materie in feite overbodig maakt. De ontdekking van NGC 1052-DF2 heeft ook gevolgen voor zijn theorie. Deze voorspelt namelijk dat alle sterrenstelsels ‘schijnbaar donkere materie’ moeten hebben.

Nog meer sterrenstelsels
Naar aanleiding van de ontdekking van NGC 1052-DF2 hebben onderzoekers de jacht geopend op meer donkere materie-arme sterrenstelsels. En met succes. Ze lijken tot op heden nog drie van zulke exemplaren te hebben gevonden en allemaal zijn ze – net als NGC 1052-DF2 – ultra-diffuus. “Elk sterrenstelsel dat we tot voor kort kenden, had donkere materie en allemaal vielen ze in bekende categorieën zoals spiraalsterrenstelsels of elliptische sterrenstelsels. Maar wat krijg je als er geen donkere materie is? Misschien is dat dit wel.”

Uiteindelijk hopen onderzoekers natuurlijk te kunnen verklaren hoe zo’n sterrenstelsel zonder donkere materie ontstaat. Er zijn op dit moment wel hypotheses over, maar geen van deze hypotheses lijken helemaal te kunnen verklaren wat we zien. Door meer sterrenstelsels zoals NGC 1052-DF2 te ontdekken, hopen de onderzoekers uiteindelijk dan ook met een beter passende verklaring te kunnen komen.