Zo’n tien miljard jaar geleden werden enorme sterrenvormende sterrenstelsels gedomineerd door gewone materie. Dat betekent dat de donkere materie die tegenwoordig zo bepalend is in sterrenstelsels destijds een veel kleinere rol speelde.
Als spiraalstelsels alleen zouden bestaan uit gewone materie zouden de sterren aan de buitenste rand langzamer om het centrum heen moeten draaien dan de sterren aan de binnenkant. In de jaren zeventig merkten de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford dat dit niet het geval was. Alle sterren in de Andromedanevel bewegen op vergelijkbare snelheden, ongeacht hun afstand tot het centrum van dat stelsel.
Dit onderzoek was een van de eerste aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie, mysterieus spul dat geen interactie heeft met licht en dat we daardoor alleen kunnen waarnemen dankzij de zwaartekrachtseffecten ervan. Als de schijf van een sterrenstelsel zich zou bevinden in een ‘halo’ van donkere materie, dan zou die onzichtbare massa de onverwachte beweging van de sterren kunnen verklaren.
Om te achterhalen waarom de hedendaagse sterrenstelsels zo veel donkere materie bevatten, moeten we naar hun voorgangers kijken: de sterrenvormende stelsels van het vroege heelal. Maar dat is nog niet zo eenvoudig: omdat we donkere materie niet kunnen zien, moeten we zorgvuldig de verplaatsingen van buitengewoon verre sterren observeren.
Natascha Förster Schreiber van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik en haar collega’s hebben met de Very Large Telescope in Chili de meest gedetailleerde waarnemingen tot nog toe gemaakt van de beweging van zes massieve sterrenstelsels gedurende de hoogtijdagen van sterrenstelselvorming, tien miljard jaar geleden.
Langzame draaiing
Ze ontdekten dat, in tegenstelling tot de meeste hedendaagse sterrenstelsels, de sterren aan de randen van deze vroege stelsels wel gewoon langzamer bewegen dan de sterren dichter bij het midden. ‘Daardoor weten we dat in de vroege stadia van stelselformatie de relatieve verdeling van normale materie en donkere materie significant anders was dan tegenwoordig’, zegt Förster Schreiber.
Om deze onverwachte resultaten te controleren, gebruikten de onderzoekers een stapel van honderd foto’s van andere vroege sterrenstelsels om een gemiddeld beeld te kunnen vormen van hoe ze draaien. De rotatie van de gestapelde stelsels kwam overeen met die van de nauwkeuriger bestudeerde stelsels. ‘Dit zijn niet zomaar zes maffe stelsels, dit kan vaker voorkomen’, zegt Förster Schreiber. ‘Dat was voor mij echt het wauw-moment.’
De verschillen in de draaiing van de vroege sterrenstelsels toont aan dat er naar het midden van de stelsels toe erg weinig donkere materie is. Ze bestaan juist vrijwel uitsluitend uit de materie die we kunnen zien in de vorm van sterren en gas. Hoe verder weg (en dus vroeger in de kosmische geschiedenis) de stelsels stonden, hoe minder donkere materie ze bevatten.
Deze resultaten duiden erop dat het turbulente gas in vroege sterrenstelsels sneller condenseerde tot de platte, draaiende schijfvormen die we vandaag de dag zien dan donkere materie, die langer in een diffuse bolvorm rond de stelsels bleef hangen.
‘Hierdoor begrijpen we een stuk beter hoe sterrenstelsels als de Melkweg en grotere stelsels tot stand moeten zijn gekomen’, zegt Mark Swinbank van Durham University. ‘Het helpt enorm als we weten hoe vroeg het gas en de sterren schijven gevormd hebben en in hoeverre ze gemengd waren met donkere materie.’
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: