astronomie

Dwarse dwergstelsels steken de draak met kosmologische consensus

Alleen al in de omgeving van de Melkweg zijn tientallen dwergstelsels ontdekt. Die lijken zich weinig van de wetenschappelijke modellen aan te trekken. Voor welke astronomische raadsels plaatsen deze kleine plukken sterren ons?

Govert Schilling
null Beeld Nasa/Esa, bewerking Studio V
Beeld Nasa/Esa, bewerking Studio V

Onooglijk klein zijn ze, althans naar astronomische begrippen. Nauwelijks enige aandacht waard, zou je denken. Maar dwergsterrenstelsels – een soort miniversies van ons eigen Melkwegstelsel – zijn de luis in de pels van de kosmologie. Ze vertonen onbegrepen eigenschappen. Ze gedragen zich anders dan verwacht. Kortom: ze passen niet goed in het standaardplaatje van de evolutie van het heelal. En niemand weet hoe die problemen weggepoetst kunnen worden.

Grote spiraalvormige sterrenstelsels zoals onze eigen Melkweg en het Andromedastelsel – schijfvormige verzamelingen van een paar honderd miljard sterren – worden tegenwoordig vrij goed begrepen. Dat geldt ook voor elliptische stelsels, die de vorm van een kiwi of een mandarijntje hebben: enigszins langgerekt of juist een beetje afgeplat. Die ontstaan wanneer twee spiraalstelsels met elkaar botsen en versmelten, iets wat over een paar miljard jaar ook de Melkweg en Andromeda te wachten staat.

Maar dwergstelsels zijn anders. Veel kleiner, om te beginnen, soms met niet meer dan een paar honderdduizend sterren. Onregelmatig van vorm ook vaak, hoewel er ook dwergellipsen bestaan. En ze zijn behoorlijk talrijk: in de directe omgeving van het Melkwegstelsel zijn er al tientallen ontdekt, en ook andere grote sterrenstelsels worden erdoor omgeven, zoals grote steden omringd worden door boerendorpjes.

Hoofdpijndossier

Eline Tolstoy van de Rijksuniversiteit Groningen doet al jaren onderzoek naar de Melkwegdwergen. Haar grootste hoofdpijndossier is Reticulum II, een langgerekt plukje sterren op zo’n honderdduizend lichtjaar afstand, dat pas ontdekt werd in 2015. ‘De sterren in deze dwerg bevatten onverwacht veel zware elementen zoals europium’, zegt Tolstoy. Hoe dat komt is onbekend; misschien hebben er catastrofale sterbotsingen plaatsgevonden waarbij die elementen zijn ontstaan. Andere astronomen pikten energierijke gammastraling op uit het dwergstelsel – ook daar is nog geen goede verklaring voor.

Maar Reticulum II is slechts een van de vele dwarse dwergen. ‘De laatste tijd zijn er tal van nieuwe stelseltjes ontdekt en die zijn allemaal raar’, vertelt Tolstoy. ‘De sterren in de dwergstelsels hebben heel andere eigenschappen en vaak een andere chemische samenstelling dan de sterren in de Melkweg.’ Opmerkelijk, want algemeen wordt aangenomen dat de grote jongens zoals het Melkwegstelsel in de loop van miljarden jaren zijn gegroeid door het verschalken van hun ondermaatse begeleiders.

In grote lijnen klopt dat beeld van die zogeheten hiërarchische groei wel: de Europese ruimtetelescoop Gaia heeft in het Melkwegstelsel langgerekte slierten van sterren ontdekt – opgeslokte dwergen die door getijdenkrachten compleet uiteen zijn gerukt. ‘Maar op de een of andere manier missen we iets’, zegt Tolstoy. ‘Dwergstelsels zoals we die nu nog zien, zijn in elk geval niet de oorspronkelijke bouwstenen van het Melkwegstelsel geweest.’

En dat is wel wat het populaire kosmologische standaardmodel beweert. Volgens die theorie, met de ingewikkelde naam Lambda-CDM, wordt de evolutie van het heelal gedomineerd door mysterieuze donkere energie (voorgesteld door de Griekse letter lambda) en koude donkere materie (‘cold dark matter’: CDM). De donkere energie zorgt ervoor dat het heelal steeds sneller uitdijt; de donkere materie – geheimzinnige deeltjes waarvan de ware aard nog steeds niet bekend is – wil de boel juist bij elkaar houden.

Computersimulaties

Met supercomputers kun je de kosmische evolutie van zo’n Lambda-CDM-heelal in versneld tempo simuleren, en de uitkomsten van die simulaties kloppen verbluffend goed met het echte heelal om ons heen. Tenminste, als je niet al te veel op de dwergstelsels let, want dan stuit je opeens op allerlei afwijkingen en problemen.

De computersimulaties schetsen een overzichtelijk beeld. Kort na de oerknal begint de onzichtbare donkere materie samen te klonteren in kleine, min of meer bolvormige wolkjes. Die donkere ‘halo’s’ trekken met hun zwaartekracht ook gewone gasatomen aan. Uit dat gas ontstaan sterren en zo worden de talloze dwergstelsels geboren. Al vrij snel voegen die zich samen tot grotere sterrenstelsels, zoals de Melkweg en Andromeda. Die blijven vervolgens tot op de dag van vandaag groeien door steeds weer nieuwe dwergen te verorberen.

Klinkt goed, maar de werkelijkheid lijkt zich weinig aan te trekken van de theorie. Althans, waar het de dwergstelsels betreft. Om te beginnen zijn die lang niet talrijk genoeg. Als je de simulaties moet geloven, zouden er rond ons Melkwegstelsel al vele honderden gevonden moeten zijn, in plaats van een paar dozijn. Rara, waar zijn ze?

Creatieve theoretici hebben een oplossing bedacht voor dit ‘probleem van de ontbrekende dwergen’: misschien zijn ze er wel, maar bestaan ze uit louter donkere materie, en zijn er om de een of andere reden nooit sterren in ontstaan. ‘Zou kunnen’, zegt Tolstoy, ‘maar dat is natuurlijk moeilijk te controleren.’ Astronomen proberen zulke onzichtbare halo’s van donkere materie op te sporen via hun zwaartekrachtwerking, maar tot nu toe zonder succes.

Kunst- en vliegwerk

Het tweede raadsel is dat de snelheidsverdeling van sterren in dwergstelsels niet klopt met de voorspellingen. Door de zwaartekracht van de samengeklonterde donkere materie zou je verwachten dat de sterren vlak bij het centrum veel sneller bewegen dan iets verder naar buiten, maar in werkelijkheid is er sprake van een soort snelheidsplateau. Met wat theoretisch kunst- en vliegwerk valt dat misschien wel te verklaren, maar helemaal lekker voelt dat niet.

Het derde raadsel heeft niet met de eigenschappen van de dwergen te maken, maar met hun verdeling in het heelal. Volgens de computersimulaties zouden grote sterrenstelsels aan alle kanten omgeven moeten worden door hun gevolg van kabouterstelseltjes. In werkelijkheid draaien de dwergen min of meer in één plat vlak – niet alleen rond ons eigen Melkwegstelsel, maar ook rond het Andromedastelsel en het elliptische stelsel Centaurus A.

Nu zijn computersimulaties natuurlijk maar computersimulaties. ‘Ze zijn altijd omgeven met de nodige onzekerheid’, zegt Teymoor Saifollahi, een in Iran geboren astrofysicus die deze zomer in Groningen hoopt te promoveren. Daar komt bij dat de meeste simulaties vooral ontworpen zijn om het gedrag van donkere materie inzichtelijk te maken – dat is veel eenvoudiger in berekeningen te vangen dan het gedrag van gas en sterren, omdat je bij donkere materie niet te maken hebt met temperatuurverschillen, elektrische ladingen en magnetisme.

Onderzoek aan dwergstelsels speelt in elk geval een grote rol in het toetsen van het Lambda-CDM-model en in het steeds verder verbeteren van de bestaande computersimulaties, aldus Saifollahi. En volgens zijn promotor Reynier Peletier weten we er nog veel te weinig van. ‘Er zijn gewoon lang niet genoeg waarnemingsgegevens beschikbaar’, zegt Peletier. Dat komt natuurlijk doordat de dwergen zo klein en zogeheten lichtzwak zijn: sterrenkundigen kunnen ze eigenlijk alleen in detail bestuderen in onze eigen kosmische achtertuin.

Dwarsliggers

Peletier en Saifollahi zijn dan ook zeer sceptisch over het opzienbarende onderzoek van Pieter van Dokkum van de Amerikaanse Yale-universiteit aan de verre dwergstelsels DF2 en DF4. Volgens Van Dokkum en zijn collega’s staan die stelseltjes op 65 miljoen lichtjaar afstand en bevatten ze vrijwel geen donkere materie, wat op het eerste gezicht volledig in tegenspraak is met het kosmologische standaardmodel.

Recente metingen met de Hubble Space Telescope lijken de afstandsbepalingen van het Amerikaanse team te bevestigen, maar Peletier gelooft er niks van. ‘De Spaanse astronoom Ignacio Trujillo, met wie ik heb samengewerkt en die ik volledig vertrouw, heeft dezelfde Hubble-metingen geanalyseerd en komt uit op een veel kleinere afstand voor de twee stelsels, van slechts 45 miljoen lichtjaar.’ Daarmee staan de conclusies van Van Dokkum en zijn collega’s op losse schroeven, wil hij maar zeggen.

Als het populaire beeld van de kosmologie onder vuur ligt, lopen de emoties soms hoog op. Trujillo en Van Dokkum liggen al jaren met elkaar overhoop. Volgens Teymoor Saifollahi wordt het tijd dat meer astronomen zich op de raadselachtige dwergen DF2 en DF4 gaan storten. ‘Ze zijn in elk geval vrij exotisch’, zegt hij, ‘en ze kunnen ons hoe dan ook meer vertellen over het gedrag van donkere materie.’

Nieuwe projecten

Zelfs als zou blijken dat de twee dwergstelsels écht geen donkere materie bevatten, is dat volgens Eline Tolstoy misschien nog wel te verklaren binnen het standaardmodel. ‘Wie weet zijn ze op een totaal andere manier ontstaan dan gewone dwergen’, zegt ze. Het laatste woord hierover is in elk geval nog lang niet gezegd.

Ook Tolstoy benadrukt het belang van meer en vooral betere waarnemingen aan dwergsterrenstelsels. Bijvoorbeeld met de gevoelige Weave-spectrometer, die deels in Nederland is gebouwd en onlangs geïnstalleerd is op de William Herschel-telescoop op het Canarische eiland La Palma. Ook de Europese Vista-telescoop in Chili wordt over een paar jaar uitgerust met zo’n geavanceerd instrument, en voor eind 2022 staat de lancering van de eveneens Europese ruimtetelescoop Euclid op het programma, iets waar Reynier Peletier zich vooral op verheugt.

Dat die nieuwe projecten veel meer informatie gaan opleveren over de tegendraadse onderkruipsels in de kosmos, lijdt geen twijfel. Maar wat dat betekent voor de mysteries waardoor de dwergstelsels nu nog worden omgeven, weet ook Tolstoy niet. ‘Hebben we ze gewoon nog niet gedetailleerd genoeg bestudeerd? Of is er echt iets fundamenteel mis met onze ideeën over de evolutie van het heelal? Dat is altijd de vraag.’

De Magelhaense Wolken

De twee bekendste begeleiders van het Melkwegstelsel zijn de Magelhaense Wolken, die alleen vanuit de tropen of vanaf het zuidelijk halfrond zichtbaar zijn. Die zijn veel groter dan de ‘reguliere’ dwergsterrenstelsels: de Grote Magelhaense Wolk telt ongeveer dertig miljard sterren; de Kleine zo’n drie miljard. Bovendien staat inmiddels met zekerheid vast dat de twee sterrenstelsels min of meer toevallige passanten zijn, die voor het eerst op relatief kleine afstand langs het Melkwegstelsel vliegen. De Magelhaense Wolken zijn genoemd naar de Portugese ontdekkingsreiziger Fernando de Magelhaen, die ze in 1519 beschreef. De eerste ‘echte’ dwergbegeleiders van het Melkwegstelsel werden in de tweede helft van de jaren dertig van de vorige eeuw ontdekt, door de Amerikaanse astronoom Harlow Shapley. Verreweg de meeste zijn pas in de afgelopen vijftien jaar gevonden.

Meer over