Sterrenstelsels en donkere materie gaan hand in hand; je vindt het een meestal niet zonder het ander. Dus toen onderzoekers een sterrenstelsel ontdekten, bekend als NGC1052-DF2, dat is bijna helemaal verstoken van het spul, ze waren geschokt.

"Het vinden van een sterrenstelsel zonder donkere materie is onverwacht omdat dit onzichtbare, mysterieuze substantie is het meest dominante aspect van elk sterrenstelsel, ", zegt hoofdauteur Pieter van Dokkum van Yale University. "Al decennia lang we dachten dat sterrenstelsels hun leven beginnen als klodders donkere materie. Daarna gebeurt al het andere:gas valt in de halo's van donkere materie, het gas verandert in sterren, ze bouwen langzaam op, dan krijg je sterrenstelsels zoals de Melkweg. NGC1052-DF2 daagt de standaardideeën uit over hoe we denken dat sterrenstelsels zich vormen."

Het onderzoek, gepubliceerd in het 29 maart nummer van het tijdschrift Natuur , verzamelde gegevens van de Gemini North en W. M. Keck Observatories, zowel op Maunakea, Hawaii, de Hubble-ruimtetelescoop, en andere telescopen over de hele wereld.

Gezien zijn grote omvang en vage uiterlijk, astronomen classificeren NGC1052-DF2 als een ultradiffuus sterrenstelsel, een relatief nieuw type sterrenstelsel dat voor het eerst werd ontdekt in 2015. Ultradiffuse sterrenstelsels komen verrassend vaak voor. Echter, geen enkel ander sterrenstelsel van dit type dat tot nu toe is ontdekt, heeft zo weinig donkere materie.

"NGC1052-DF2 is een rariteit, zelfs tussen deze ongewone klasse van sterrenstelsels, " zei Shany Danieli, een afgestudeerde student aan de Yale University in het team.

Om nog dieper in dit unieke sterrenstelsel te kijken, het team gebruikte de Gemini Multi Object Spectrograph (GMOS) om gedetailleerde beelden van NGC1052-DF2 vast te leggen, de structuur ervan beoordelen, en bevestigen dat de melkweg geen tekenen had van interactie met andere melkwegstelsels.

"Zonder de Gemini-afbeeldingen die de morfologie van de melkweg ontleedden, zouden we geen context hebben gehad voor de rest van de gegevens, "zei Danieli. "Ook, Gemini's bevestiging dat NGC1052-DF2 momenteel geen interactie heeft met een ander sterrenstelsel, zal ons helpen vragen te beantwoorden over de omstandigheden rond zijn geboorte."

Van Dokkum en zijn team zagen NGC1052-DF2 voor het eerst met de Dragonfly Telephoto Array, een op maat gemaakte telescoop in New Mexico die ze hebben ontworpen om deze spookachtige sterrenstelsels te vinden. NGC1052-DF2 stond in schril contrast toen er vergelijkingen werden gemaakt tussen afbeeldingen van de Dragonfly Telephoto Array en de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). De Dragonfly-afbeeldingen tonen een vaag "blob-achtig" object, terwijl SDSS-gegevens een verzameling relatief heldere puntachtige bronnen onthullen.

Naast de Gemini-waarnemingen, om deze inconsistentie verder te beoordelen, heeft het team het licht van verschillende van de heldere bronnen in NGC1052-DF2 ontleed met behulp van Keck's Deep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) en Low-Resolution Imaging Spectrometer (LRIS), het identificeren van 10 bolvormige sterrenhopen. Deze clusters zijn grote compacte groepen sterren die rond de galactische kern draaien.

De spectrale gegevens verkregen met de Keck-telescopen onthulden dat de bolvormige sterrenhopen veel langzamer bewogen dan verwacht. Hoe langzamer de objecten in een systeem bewegen, hoe minder massa er in dat systeem zit. De berekeningen van het team laten zien dat alle massa in de melkweg kan worden toegeschreven aan de massa van de sterren, wat betekent dat er bijna geen donkere materie is in NGC1052-DF2.

"Als er al donkere materie is, het is heel weinig, Van Dokkum legde uit. "De sterren in de melkweg kunnen alle massa, en er lijkt geen ruimte te zijn voor donkere materie."

"Keck zit in een zeer kleine groep telescopen die deze waarnemingen zelfs zouden kunnen proberen, omdat je een grote telescoop nodig hebt om deze nauwkeurige snelheden te meten, Van Dokkum voegde toe. "Keck heeft ook enkele van de beste spectrografen ter wereld voor het meten van de snelheden van zwakke objecten. We hadden de gelegenheid om te controleren en ervoor te zorgen dat we hetzelfde resultaat kregen binnen de onzekerheden, en dat gaf ons het vertrouwen dat we de dingen goed deden."

De resultaten van het team tonen aan dat donkere materie scheidbaar is van sterrenstelsels. "Deze ontdekking toont aan dat donkere materie echt is - het heeft zijn eigen afzonderlijke bestaan, afgezien van andere componenten van sterrenstelsels, zei Van Dokkum.

De bolvormige sterrenhopen en atypische structuur van NGC1052-DF2 hebben astronomen verbijsterd bij het bepalen van de omstandigheden waaronder dit sterrenstelsel is gevormd.

"Het is alsof je een melkwegstelsel neemt en je hebt alleen de stellaire halo en bolvormige sterrenhopen, en op de een of andere manier vergat het om al het andere te maken, Van Dokkum zei. "Er is geen theorie die dit soort sterrenstelsels heeft voorspeld. De melkweg is een compleet mysterie, omdat alles eraan vreemd is. Hoe je eigenlijk te werk gaat om een ​​van deze dingen te vormen, is volledig onbekend."

Echter, onderzoekers hebben wel wat ideeën. NGC1052-DF2 bevindt zich op ongeveer 65 miljoen lichtjaar afstand in een verzameling sterrenstelsels die wordt gedomineerd door het gigantische elliptische sterrenstelsel NGC 1052. De vorming van sterrenstelsels is turbulent en gewelddadig, en van Dokkum suggereert dat de groei van het prille, massieve sterrenstelsel miljarden jaren geleden misschien een rol speelde in het gebrek aan donkere materie van NGC1052-DF2.

Een ander idee is dat een catastrofale gebeurtenis in het vreemde sterrenstelsel, zoals de geboorte van talloze massieve sterren, veegde al het gas en de donkere materie weg, stervorming stoppen.

Deze mogelijkheden zijn speculatief, echter, en niet alle kenmerken van het waargenomen sterrenstelsel verklaren, voegen de onderzoekers toe.

Het team zet de jacht voort naar meer donkere materie-deficiënte sterrenstelsels. Ze analyseren Hubble-beelden van 23 andere diffuse sterrenstelsels. Drie van hen lijken overeenkomsten te hebben met NGC1052-DF2, die Van Dokkum van plan is de komende maanden een vervolg te geven bij Keck Observatory.

"Elk sterrenstelsel dat we eerder kenden, heeft donkere materie, en ze vallen allemaal in bekende categorieën zoals spiraalvormige of elliptische sterrenstelsels, ', zei van Dokkum. 'Maar wat zou je krijgen als er helemaal geen donkere materie zou zijn? Misschien is dit wat je zou krijgen."