Iedereen weet dat sterrenstelsels enorme verzamelingen sterren zijn. Een enkel sterrenstelsel kan er honderden miljarden bevatten. Maar er is een soort sterrenstelsel zonder sterren. Dat klopt: nul sterren.
Deze sterrenstelsels worden donkere melkwegstelsels of donkere stofstelsels genoemd. En in plaats van uit sterren te bestaan, bestaan ze meestal uit donkere materie. Theorie voorspelt dat er veel van deze Dwarf Dark Galaxies in de halo rond 'gewone' sterrenstelsels zouden moeten zijn, maar het vinden ervan was moeilijk.
Nu kondigen Yashar Hezaveh van de Stanford University in Californië en zijn team van collega's in een nieuw artikel dat zal worden gepubliceerd in het Astrophysical Journal, de ontdekking van een dergelijk object aan. Het team gebruikte de verbeterde mogelijkheden van de Atacamas Large Millimeter Array om een Einstein-ring te onderzoeken, zo genoemd omdat Einstein's Theory of General Relativity het fenomeen lang voordat er een werd waargenomen, voorspelde.
Een Einstein-ring is wanneer de enorme zwaartekracht van een dichtbijgelegen object het licht van een veel verder weg gelegen object vervormt. Ze werken ongeveer zoals de lens in een telescoop, of zelfs een bril. De massa van het glas in de lens richt invallend licht zodanig dat verre objecten worden vergroot.
Einstein-ringen en gravitationele lensing stellen astronomen in staat objecten op grote afstand te bestuderen door ze te bekijken door een zwaartekrachtlens. Maar ze stellen astronomen ook in staat om meer te leren over de melkweg die als lens fungeert, wat in dit geval is gebeurd.
Als een glazen lens kleine watervlekken zou hebben, zouden die vlekken een kleine hoeveelheid vervorming aan het beeld toevoegen. Dat is in dit geval gebeurd, behalve in plaats van microscopisch kleine waterdruppels op een lens, werden de vervormingen veroorzaakt door kleine dwergstelsels bestaande uit donkere materie. 'We kunnen deze onzichtbare objecten op dezelfde manier vinden als je regendruppels op een raam ziet. Je weet dat ze er zijn omdat ze het beeld van de achtergrondobjecten vervormen ”, legt Hezaveh uit. Het verschil is dat water licht vervormt door breking, terwijl materie licht vervormt door zwaartekracht.
Naarmate de ALMA-faciliteit haar resolutie verhoogde, bestudeerden astronomen verschillende astronomische objecten om de mogelijkheden ervan te testen. Een van deze objecten was SDP81, de zwaartekrachtlens in de bovenstaande afbeelding. Terwijl ze het verder verwijderde sterrenstelsel onderzochten dat door SDP81 werd gelensd, ontdekten ze kleinere vervormingen in de ring van het verre melkwegstelsel. Hezaveh en zijn team concluderen dat deze vervormingen de aanwezigheid van een Dwarf Dark Galaxy aangeven.
Maar waarom doet dit er allemaal toe? Omdat er een probleem is in het heelal, of althans in ons begrip ervan; een probleem van ontbrekende massa.
Ons begrip van de vorming van de structuur van het heelal is behoorlijk solide, althans op grotere schaal. Voorspellingen op basis van dit model komen overeen met waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) en clustering van sterrenstelsels. Maar ons begrip valt enigszins uiteen als het gaat om de kleinere schaalstructuur van het heelal.
Een voorbeeld van ons gebrek aan begrip op dit gebied is wat bekend staat als het ontbrekende satellietprobleem. Theorie voorspelt dat er een grote populatie van zogenaamde sub-halo-objecten in de halo van donkere materie rond sterrenstelsels zou moeten zijn. Deze objecten kunnen variëren van dingen zo groot als de Magelhaense Wolken tot veel kleinere objecten. In observaties van de Lokale Groep is er een uitgesproken tekort aan deze objecten, met een factor 10, vergeleken met theoretische voorspellingen.
Omdat we ze niet hebben gevonden, moet er een van de volgende twee dingen gebeuren: of we worden beter in het vinden ervan, of we passen onze theorie aan. Maar het lijkt iets te vroeg om onze theorieën over de structuur van het heelal te wijzigen, omdat we niet iets hebben gevonden dat van nature moeilijk te vinden is. Daarom is deze aankondiging zo belangrijk.
De waarneming en identificatie van een van deze Dwarf Dark Galaxies zou de deur naar meer moeten openen. Zodra er meer zijn gevonden, kunnen we beginnen met het bouwen van een model voor hun populatie en distributie. Dus als er in de toekomst meer van deze Dwerg-donkere sterrenstelsels worden gevonden, zal dit geleidelijk ons overkoepelende begrip van de vorming en structuur van het heelal bevestigen. En het betekent dat we op de goede weg zijn als het gaat om het begrijpen van de rol van Dark Matter in het universum. Als we ze niet kunnen vinden, en degene die aan de halo van SDP81 is gebonden een anomalie blijkt te zijn, dan is het theoretisch terug naar de tekentafel.
Het kostte veel paardenkracht om de Dwarf Dark Galaxy te detecteren die gebonden was aan SDP81. Einstein-ringen zoals SDP81 moeten een enorme massa hebben om een zwaartekrachtlenseffect uit te oefenen, terwijl Dwarf Dark Galaxies in vergelijking klein zijn. Het is een klassiek 'speld in een hooiberg'-probleem en Hezaveh en zijn team hadden enorme rekenkracht nodig om de gegevens van ALMA te analyseren.
ALMA en de door Hezaveh en zijn team ontwikkelde methodologie zullen hopelijk in de toekomst meer licht werpen op Dwarf Dark Galaxies. Het team denkt dat ALMA een groot potentieel heeft om meer van deze halo-objecten te ontdekken, wat op zijn beurt ons begrip van de structuur van het heelal zou moeten verbeteren. Zoals ze in de conclusie van hun paper zeggen: "... ALMA-waarnemingen hebben het potentieel om ons begrip van de overvloed aan onderstructuren van donkere materie aanzienlijk te verbeteren."
