De Melkweg zelf kan aanwijzingen voor donkere materie veroorzaken

Sterrenstromen gelden vaak als gevoelige detectoren van donkere materie. Wanneer een kleine, compacte structuur van donkere materie — een zogenoemde subhalo — langs zo'n langgerekt spoor van sterren trekt, kan dat gaten of knikken veroorzaken. Een nieuwe studie van de University of Washington plaatst daar een belangrijke kanttekening bij: ook gewone materie en de ongelijkmatige zwaartekracht van de Melkweg kunnen vergelijkbare patronen voortbrengen. De studie verscheen op 27 augustus in The Astrophysical Journal. 6

Dat betekent niet dat sterrenstromen onbruikbaar zijn als onderzoeksmiddel. Wel moeten astronomen eerst bepalen welke verstoringen de gastgalaxie zelf kan veroorzaken, voordat ze een onregelmatigheid aan donkere materie toeschrijven.

Wat de simulaties onderzochten

De onderzoekers simuleerden vier sterrenstelsels met een massa en structuur die vergelijkbaar zijn met die van de Melkweg. Donkere-materiesubhalo's werden bewust uit de proef verwijderd. Vervolgens plaatsten ze ongeveer 15.000 sterrenstromen in deze omgevingen en lieten ze de systemen vijf miljard gesimuleerde jaren evolueren.

Zo konden ze één vraag isoleren: wat kan de zwaartekracht van een sterrenstelsel zelf met een sterrenstroom doen, zonder dat er een subhalo langskomt?

Bijna elke sterrenstroom werd onregelmatig

Het antwoord is dat onregelmatigheden eerder regel dan uitzondering zijn. Bijna alle gesimuleerde sterrenstromen ontwikkelden structuren zoals:

• gaten;
• knikken en bochten;
• uitlopers en vertakkingen; en
• klonten of andere afwijkingen van een gelijkmatig spoor van sterren. 6

Volgens de resultaten bleef slechts ongeveer 1% van de simulaties volkomen glad. 6 Een onregelmatige sterrenstroom is dus niet automatisch bewijs dat er een donkere-materiesubhalo doorheen is getrokken.

De belangrijkste oorzaak was de ongelijke stellaire schijf van het gaststelsel. Wanneer een sterrenstroom door dichtere delen trok, kwam hij in een voortdurend veranderend zwaartekrachtsveld terecht. Die variërende aantrekkingskracht kon de stroom verbuigen, uitrekken en uit elkaar trekken — met patronen die sterk kunnen lijken op de verwachte gevolgen van donkere-materiesubhalo's. 6

Een ijkpunt, geen weerlegging

De studie neemt de waarde van sterrenstromen als onderzoek naar donkere materie niet weg. Ze verandert vooral de manier waarop astronomen het bewijs moeten beoordelen. Een gat of een knik kan nog steeds door een subhalo zijn veroorzaakt, maar moet worden vergeleken met de verstoringen die de Melkweg zelf kan produceren.

Omdat de onderzoekers een experiment zonder subhalo's uitvoerden, leverden ze een controle- of referentiesituatie op voor effecten van de gastgalaxie. Toekomstige simulaties kunnen die basis gebruiken om te bepalen welke kenmerken vaker voorkomen, of er anders uitzien, wanneer donkere-materiesubhalo's wél worden toegevoegd. 6

Die vergelijking is cruciaal. Zonder zo'n ijkpunt bestaat het risico op vals-positieve resultaten: gewone vervormingen door de Melkweg worden dan aangezien voor bewijs van onzichtbare structuren van donkere materie.

Wat Rubin Observatory kan toevoegen

De Vera C. Rubin Observatory, met de Simonyi Survey Telescope, zal naar verwachting veel meer zwakke sterrenstromen zichtbaar maken en hun structuur gedetailleerder in kaart brengen. Een grotere verzameling waarnemingen biedt astronomen meer mogelijkheden om echte sterrenstromen te vergelijken met simulaties waarin de zwaartekracht van de Melkweg en donkere-materiesubhalo's afzonderlijk worden gemodelleerd. 6

De volgende stap is daarom niet het opgeven van sterrenstromen, maar het verfijnen van de methode. Door realistische simulaties van de gastgalaxie te combineren met modellen mét subhalo's en de groeiende inventaris van Rubin, kunnen astronomen beter bepalen welke onregelmatigheden gewone gevolgen zijn van galactische dynamica — en welke mogelijk echt op donkere materie wijzen.