Astrofysici van de Universiteit van Surrey en de Universiteit van Edinburgh hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de hoeveelheid donkere materie in het centrum van kleine "dwerg"-sterrenstelsels te meten.

Donkere materie vormt het grootste deel van de massa van het heelal, toch blijft het ongrijpbaar. Afhankelijk van zijn eigenschappen, het kan dicht geconcentreerd zijn in de centra van sterrenstelsels, of soepeler verdeeld over grotere schalen. Door de verdeling van donkere materie in sterrenstelsels te vergelijken met gedetailleerde modellen, onderzoekers kunnen verschillende kandidaten voor donkere materie testen of uitsluiten.

De strengste beperkingen op donkere materie komen van de allerkleinste sterrenstelsels in het heelal, "dwergstelsels". De kleinste hiervan bevatten slechts een paar duizend of tienduizenden sterren - zogenaamde "ultra-faint" dwergen. Zulke kleine sterrenstelsels, gevonden in een baan in de buurt van de Melkweg, bestaan ​​bijna volledig uit donkere materie. Als de verdeling van donkere materie in deze kleine sterrenstelsels in kaart zou kunnen worden gebracht, zou dit nieuwe en opwindende informatie over de aard ervan kunnen opleveren. Echter, volledig verstoken van gas en met zeer weinig sterren, tot voor kort was er geen haalbare methode voor het maken van deze meting.

In een studie gepubliceerd door de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society ( MNRAS ), een team van wetenschappers van de Universiteit van Surrey heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de innerlijke dichtheid van donkere materie van dwergstelsels te berekenen, zelfs als ze geen gas hebben en heel weinig sterren. De sleutel tot de methode is om gebruik te maken van een of meer dichte sterclusters die dicht bij het centrum van de dwerg draaien.

Sterrenhopen zijn door de zwaartekracht gebonden verzamelingen van sterren die in sterrenstelsels draaien. In tegenstelling tot sterrenstelsels, sterrenhopen zijn zo dicht dat hun sterren door de zwaartekracht van elkaar verstrooien, waardoor ze langzaam uitdijen. Het onderzoeksteam maakte het belangrijkste nieuwe inzicht toen ze zich realiseerden dat de snelheid van deze uitdijing afhangt van het zwaartekrachtsveld waarin de stercluster draait en, daarom, over de verdeling van donkere materie in het gaststelsel. Het team gebruikte een groot aantal computersimulaties om te laten zien hoe de structuur van sterrenhopen gevoelig is voor het feit of donkere materie dicht opeengepakt is in het centrum van sterrenstelsels, of vlotter verdeeld. Het team paste hun methode vervolgens toe op het onlangs ontdekte "ultra-faint" dwergstelsel, Eridanus II, het vinden van veel minder donkere materie in het centrum dan veel modellen hadden voorspeld.

Dr. Filippo Contenta van de Universiteit van Surrey en hoofdauteur van de studie zei:"We hebben een nieuw hulpmiddel ontwikkeld om de aard van donkere materie bloot te leggen en de resultaten zijn nu al opwindend. Eridanus II, een van de kleinste sterrenstelsels die we kennen, heeft minder donkere materie in het centrum dan verwacht. Als vergelijkbare resultaten worden gevonden voor een grotere steekproef van sterrenstelsels, dit kan verstrekkende gevolgen hebben voor de aard van donkere materie."

Professor Mark Gieles, Hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Surrey en hoofdonderzoeker van het project European Research Council (ERC) dat het project financierde, toegevoegd:"We zijn dit ERC-project begonnen in de hoop dat we sterrenhopen konden gebruiken om meer te weten te komen over donkere materie, dus het is heel opwindend dat het werkte."

Professor Justin Lees, een co-auteur van de studie van de Universiteit van Surrey, toegevoegd:"Het is een uitdaging om onze resultaten voor Eridanus II te begrijpen als donkere materie bestaat uit een zwak interagerend 'koud' deeltje - het momenteel favoriete model voor donkere materie. Een mogelijkheid is dat de donkere materie in het centrum van Eridanus II was " opgewarmd" door gewelddadige stervorming, zoals gesuggereerd door enkele recente numerieke modellen. Meer prikkelend, echter, is de mogelijkheid bestaat dat donkere materie complexer is dan we tot nu toe hebben aangenomen."

Dr. Jorge Peñarrubia van de School of Physics and Astronomy van de University of Edinburgh zei:"Deze bevindingen geven een fascinerend inzicht in de verdeling van donkere materie in de meest door donkere materie gedomineerde sterrenstelsels in het heelal, en er is een groot potentieel voor wat deze nieuwe methode in de toekomst zou kunnen ontdekken."