Het standaardmodel van de kosmologie bepaalt dat veruit de meeste sterrenstelsels in het heelal omringd zijn door een halo van donkere materie. Die is onzichtbaar. Het idee is dat deze halo’s een sterke zwaartekracht uitoefenen op sterrenstelsels in de omgeving en zodoende te traceren zijn.

Er is nieuw onderzoek gedaan naar dwergsterrenstelsels in een cluster dat vrij dichtbij de aarde ligt, het zogenaamde Fornax-cluster. Het lijkt erop dat in dit cluster geen halo’s van donkere materie zijn te vinden, omdat zwaartekracht- en vervormingsberekeningen zonder de donkere materie als variabele veel beter overeenkomen met de telescoopdata.

Getijdenkrachten tussen sterrenstelsels
Dwergstelsels zijn relatief kleine, weinig verlichte sterrenstelsels die meestal deel uitmaken van een cluster of te vinden zijn in de buurt van grotere sterrenstelsels. Bij ons in de Lokale Groep cirkelen veel dwergsterrenstelsels rondom grotere sterrenstelsels zoals de Melkweg en de Andromedanevel. Dwergstelsels zijn ongeveer honderd keer zo klein als de Melkweg en worden vaak beïnvloed door de zwaartekrachteffecten van hun grotere buren. De onderzoekers hebben deze effecten bestudeerd. “We introduceren een innovatieve manier om het standaardmodel te testen. We kijken naar de mate waarin dwergstelsels worden vervormd door zwaartekracht-‘getijden’, veroorzaakt door dichtbij zijnde sterrenstelsels”, zegt hoofdonderzoeker Elena Asencio van de Universität Bonn (UB).

De getijdenkrachten ontstaan wanneer de zwaartekracht van een sterrenstelsel harder aan het ene deel van een naburig dwergstelsel trekt, dan aan een ander deel. Je kunt dit proces vergelijken met de getijdenkrachten van eb en vloed op aarde. Die ontstaan doordat de maan harder trekt aan de zijde van de aarde die op dat moment gericht is op de maan. Dit is een cyclisch proces gebaseerd op zwaartekracht, dat continu zorgt voor vervorming.

Het Fornax-cluster
Het Fornax-cluster is bezaaid met dwergstelsels. Recente observaties laten zien dat sommige van deze dwergen vervormd lijken te zijn, alsof ze worden verstoord door iets in hun omgeving. “Zulke grote verstoringen in de Fornax-dwergstelsels hadden we niet verwacht, als we het standaardmodel in ogenschouw nemen”, zegt Pavel Kroupa, professor aan de UB. “Volgens het standaardmodel zouden de donkere materie-halo’s deze dwergstelsels gedeeltelijk moeten afschermen van de getijdenkrachten in het cluster.”

De wetenschappers berekenden de verwachte mate van vervorming van de dwergen. Ze hielden daarbij rekening met de samenstelling van de dwergen en de afstand tot het centrum van het cluster, waar de meeste zwaartekracht vandaan komt. Stelsels die veel ruimte in beslag nemen, maar relatief weinig massa hebben, en ook stelsels die dichtbij het centrum van het cluster gelokaliseerd zijn, worden het makkelijkst vervormd of zelfs vernietigd.

Het standaardmodel faalt
Ze hebben hun resultaten vergeleken met de foto’s die de VLT Survey Telescope van het European Southern Observatory in Chili van het Fornax-cluster heeft gemaakt. “Uit de vergelijking bleek dat het niet mogelijk was om de observaties te verklaren met het standaardmodel”, aldus Asencio. “De Fornax-dwergen zouden al lang vernietigd moeten zijn door de zwaartekracht uit het centrum van het cluster, zelfs wanneer de getijdenkrachten 64 keer zo zwak zijn als de zwaartekracht die het dwergstelsel zelf uitoefent.”

Dit is volgens haar intuïtief niet correct en is ook in tegenspraak met eerdere studies. Hieruit concludeert ze dat er ongeveer evenveel kracht van buitenaf nodig is om een dwerg te vervormen, vergeleken met de gravitatiekracht die hij zelf uitoefent. De onderzoekers konden het standaardmodel dus niet gebruiken om de vervormingen in de Fornax-dwergen te verklaren. Ze gingen daarom verder met de alternatieve Milgromian dynamics (MOND)-theorie. De halo’s van donkere materie werden aan de kant geschoven.

Verrassend dichtbij
“We wisten niet zeker of de dwergstelsels de extreme omstandigheden van een cluster van sterrenstelsels zouden overleven in de MOND-analyse, vanwege de afwezigheid van de beschermende donkere materie-halo’s in het model”, legt onderzoeker Indranil Banik van de University of St. Andrews uit. “Maar onze MOND-uitkomsten komen verrassend dichtbij de observaties, wat betreft de vervorming van de Fornax-dwergstelsels.”

De onderzoekers zijn enthousiast over de vergelijking van de testresultaten met de telescoopdata. Het is niet de eerste keer dat een studie naar het effect van donkere materie op de dynamiek en evolutie van sterrenstelsels concludeert dat de observaties beter kunnen worden uitgelegd zonder de donkere materie in de berekeningen mee te nemen.

Nieuw paradigma
“Het aantal publicaties dat de onverenigbaarheid tussen observaties en het donkere materie-paradigma aantoont, wordt elk jaar groter. De tijd is gekomen om meer tijd en energie te gaan steken in veelbelovender theorieën”, aldus Pavel Kroupa. Wetenschapper Hongsheng Zhao van de University of St. Andrews legt tot slot uit: “Onze onderzoeksresultaten hebben grote gevolgen voor de theoretische natuurkunde. We verwachten meer vervormde dwergen te vinden in andere clusters, een voorspelling die andere teams kunnen controleren.”