5 juni 2007

Een groep astronomen heeft met behulp van de Hubble Space Telescope het beste bewijs tot nu toe gevonden van het bestaan van zogenaamde donkere materie. Ze namen een ring van donkere materie waar in een cluster van sterrenstelsels.

De ring is lang geleden ontstaan tijdens een gigantische botsing tussen twee massieve clusters van sterrenstelsels. De astronomen publiceerden hun ontdekking op 1 juni 2007 in het Astrophysical Journal. Het is de eerste keer dat donkere materie is waargenomen die wezenlijk anders verdeeld is dan gewone materie.

Bindende kracht

De cluster ZwCl0024+1652 (in de publicatie Cl 0024+17 genoemd) ligt op een afstand van vijf miljard lichtjaar van de aarde. De ring heeft een diameter van 2,6 miljoen lichtjaar. Hij werd onverwacht ontdekt toen het team de verdeling van donkere materie in de cluster in kaart aan het brengen was.

Volgens astronomen is onzichtbare donkere materie de oorzaak van de bijkomende gravitatie die clusters van sterrenstelsels bij elkaar houdt. Als hun bindende kracht alleen afkomstig zou zijn van de zichtbare sterren, dan zouden ze uiteenvallen.

Het is niet bekend waaruit de donkere materie bestaat, maar mogelijk gaat het om een soort elementaire deeltjes waarvan het heelal doordrongen is.

'Dit is de eerste keer dat we donkere materie hebben waargenomen met een unieke structuur, anders dan die van het gas en de sterrenstelsels in de cluster', zegt astronoom M. James Jee van de Johns Hopkins University in de Verenigde Staten. Hij maakt deel uit van het team dat de ring van donkere materie waarnam.

Andere structuur

'Hoewel eerder al donkere materie werd ontdekt in andere clusters van sterrenstelsels, hebben we nog nooit eerder donkere materie gezien die zo ver verwijderd is van het hete gas en de sterrenstelsels die deel uitmaken van de cluster', aldus Jee.

'Door een structuur van donkere materie waar te nemen die niet uitgetekend wordt door sterrenstelsels en heet gas, kunnen we de verschillen met normale materie bestuderen.'

Toen het team de donkere materie bestudeerde, zagen de astronomen een soort golf in de vreemde substantie, te vergelijken met de golven die in een vijver ontstaan als men er een steen in gooit.

'Ik was eerst wat verveeld met de waarneming van de ring, want ik meende dat het iets kunstmatig was, een gevolg van problemen met de verwerking van de gegevens', zegt Jee.

'Na de gegevens verschillende keren opnieuw te hebben bekeken, kon ik het resultaat niet geloven. Ik heb al heel wat clusters bestudeerd en had nog nooit eerder zoiets gezien.'

Botsing

Jee vroeg zich af waarom deze ring zich in de cluster bevindt en hoe hij was ontstaan. Uit vorig onderzoek bleek dat de cluster één tot twee miljard jaar geleden met een andere cluster in botsing is gekomen.

De resultaten van dit onderzoek werden in 2002 gepubliceerd door Oliver Czoske van het Argelander-Institut für Astronomie van de Universiteit van Bonn. Ze waren gebaseerd op spectroscopische waarnemingen van de driedimensionale structuur van de cluster. Het onderzoek onthulde twee onderscheiden groepen van clusters van sterrenstelsels, een aanwijzing van een botsing tussen de twee clusters.

Vanaf de aarde gezien kijken we als het ware recht op de botsing en vanuit dit perspectief ziet de structuur van donkere materie eruit als een ring. Met computersimulaties kon het team zien wat er gebeurt als clusters van sterrenstelsels met elkaar in botsing komen.

In dat geval valt de donkere materie naar het centrum van de gecombineerde cluster toe om zich daarna terug naar buiten toe te bewegen. Op dat moment vertraagt de materie als gevolg van de gravitatiekracht om vervolgens samen te klitten, zoals auto's bij een file op de snelweg.

Experiment van de natuur

'Door deze botsing te bestuderen zien we hoe donkere materie op gravitatie reageert', vertelt Holland Ford, eveneens van de Johns Hopkins University en lid van het team.

'De natuur voert voor ons een experiment uit dat we niet in een labo kunnen doen. Het stemt overeen met onze theoretische modellen.'

Het grootste deel van het heelal bestaat uit donkere materie. Gewone materie, waaruit sterren en planeten bestaan, is goed voor slechts enkele procenten van de totale materie in het heelal.

Donkere materie ook vinden is een andere zaak, want donkere materie geeft geen licht en weerkaatst geen licht. Men kan wel de gravitationele invloed van donkere materie op licht waarnemen. Astronomen bestuderen daarvoor hoe zwak licht van verre sterrenstelsels verstoord of afgebogen wordt door donkere materie op de voorgrond.

Men spreekt in dit verband over gravitatielenzen. Door het verstoorde licht in kaart te brengen kan men de massa van de cluster en de verdeling van donkere materie afleiden.

Ongeëvenaarde gevoeligheid

'De botsing tussen de twee clusters van sterrenstelsels zorgde voor een golf van donkere materie die afdrukken naliet in de vormen van sterrenstelsels op de achtergrond', verklaart Jee.

'Men kan het vergelijken met stenen op de bodem van een vijver terwijl er golven op het oppervlak zijn. Als de golven over de stenen passeren lijken de stenen een andere vorm aan te nemen. Op dezelfde manier verandert de vorm van sterrenstelsels achter de ring, als gevolg van het bestaan van deze dichte ring.'

Jee en zijn collega's maakten gebruik van de Advanced Camera for Surveys van de Hubble-ruimtetelescoop om de zwakke, verstoorde en verre sterrenstelsels achter de cluster waar te nemen die met telescopen op de aarde geen details tonen.

'De fantastische beelden van Hubble en de ongeëvenaarde gevoeligheid om zwakke sterrenstelsels waar te nemen maken van de telescoop het enige geschikte hulpmiddel voor dit soort metingen', aldus teamlid Richard White van het Space Telescope Science Institute in de Verenigde Staten.

Eerdere waarnemingen van een andere cluster, de Kogelcluster (Bullet Cluster), met behulp van de Hubble-telescoop en het Chandra X-ray Observatory leverden een zijdelingse blik op van een gelijkaardige 'ontmoeting' tussen twee clusters van sterrenstelsels. Bij die botsing vloog de donkere materie ook weg van het hete gas van de clusters, maar de donkere materie volgde nog altijd de verdeling van de sterrenstelsels in de cluster.

ZwCl0024+1652 is de eerste cluster waarbij men een verdeling van donkere materie heeft waargenomen die aanzienlijk verschilt van de verdeling van zowel de sterrenstelsels als het heet gas.

Opmerking

De Hubble Space Telescope is een internationaal samenwerkingsproject tussen NASA en ESA.

De bevindingen van het team werden door M.J. Jee, H. Ford (Johns Hopkins University) et al. gepubliceerd in het nummer van 1 juni 2007 van het Astrophysical Journal.

Meer informatie

Lars Lindberg Christensen
Hubble/ESA
Garching, Duitsland
lars@eso.org

Ray Villard
Space Telescope Science Institute
Baltimore, USA
Villard@stsci.edu

Myungkook Jee
Johns Hopkins University
mkjee@pha.jhu.edu