Onderzoekers van de Universiteit van Bonn en de Universiteit van Californië in Irvine gebruikten geavanceerde computersimulaties om een ​​test te bedenken die een brandende vraag in de astrofysica zou kunnen beantwoorden:bestaat donkere materie eigenlijk? Of moet de zwaartekrachtwet van Newton worden aangepast? De nieuwe studie, nu gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven , laat zien dat het antwoord verborgen zit in de beweging van de sterren in kleine satellietstelsels die rond de Melkweg wervelen.

Met behulp van een van de snelste supercomputers ter wereld, de wetenschappers hebben de materieverdeling van de zogenaamde "dwerg"-satellietstelsels gesimuleerd. Dit zijn kleine sterrenstelsels die rond grotere sterrenstelsels zoals de Melkweg of Andromeda draaien.

De onderzoekers concentreerden zich op een relatie die radiale versnellingsrelatie (RAR) wordt genoemd. In schijfsterrenstelsels, sterren bewegen in cirkelvormige banen rond het galactische centrum. De versnelling die hen dwingt van richting te veranderen, wordt veroorzaakt door de aantrekkingskracht van materie in de melkweg. De RAR beschrijft de relatie tussen deze versnelling en die veroorzaakt door alleen de zichtbare materie. Het geeft inzicht in de structuur van sterrenstelsels en hun materieverdeling.

"We hebben nu gesimuleerd, Voor de eerste keer, de RAR van dwergsterrenstelsels in de veronderstelling dat donkere materie bestaat, " legt Prof. Dr. Cristiano Porciani van het Argelander Instituut voor Astronomie van de Universiteit van Bonn uit. "Het bleek dat ze zich gedragen als verkleinde versies van grotere sterrenstelsels." Maar wat als er geen donkere materie is en in plaats daarvan de zwaartekracht anders werkt dan Newton dacht? "In dit geval de RAR van dwergstelsels hangt sterk af van de afstand tot hun moederstelsel, terwijl dit niet gebeurt als donkere materie bestaat, " legt onderzoeker Emilio Romano-Díaz uit.

Dit verschil maakt de satellieten tot een krachtige sonde om te testen of donkere materie echt bestaat. Het Gaia-ruimtevaartuig, die in 2013 werd gelanceerd door de European Space Agency (ESA) een antwoord zou kunnen geven. Het is ontworpen om de sterren in de Melkweg en zijn satellietstelsels in ongekend detail te bestuderen en heeft een grote hoeveelheid gegevens verzameld.

Echter, het zal waarschijnlijk jaren duren om de gegevens te analyseren. "Individuele metingen zijn niet voldoende om de kleine verschillen te testen die we in onze simulaties hebben gevonden, " legt promovendus Enrico Garaldi uit. "Maar het herhaaldelijk onderzoeken van dezelfde sterren verbetert de metingen elke keer. Vroeger of later, het zou mogelijk moeten zijn om te bepalen of de dwergsterrenstelsels zich gedragen als in een universum met donkere materie - of niet."

Het cement dat sterrenstelsels bij elkaar houdt

Deze vraag is tegenwoordig een van de meest urgente kwesties in de kosmologie. Het bestaan ​​van donkere materie werd meer dan 80 jaar geleden gesuggereerd door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky. Hij realiseerde zich dat sterrenstelsels zo snel bewegen binnen clusters van sterrenstelsels dat ze eigenlijk uit elkaar zouden moeten drijven. Hij postuleerde daarom de aanwezigheid van onzichtbare materie die, vanwege zijn massa, oefent voldoende zwaartekracht uit om sterrenstelsels op hun waargenomen banen te houden. In de jaren zeventig, zijn Amerikaanse collega Vera Rubin ontdekte een soortgelijk fenomeen in spiraalstelsels zoals de Melkweg - ze roteren zo snel dat de middelpuntvliedende kracht ze uit elkaar zou scheuren als er alleen zichtbare materie aanwezig was.

Vandaag, de meeste natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat donkere materie ongeveer 80 procent van de massa in het universum uitmaakt. Omdat het geen interactie heeft met licht, het is onzichtbaar voor telescopen. Nog, ervan uitgaande dat het bestaan ​​ervan uitstekend past bij een aantal andere waarnemingen, zoals de verdeling van achtergrondstraling, het nagloeien van de oerknal. Donkere materie biedt ook een goede verklaring voor de rangschikking en vormingssnelheid van sterrenstelsels in het heelal. Echter, ondanks talrijke experimentele inspanningen, er is geen direct bewijs dat donkere materie bestaat. Dit leidde astronomen tot de hypothese dat de zwaartekracht zelf zich anders zou kunnen gedragen dan eerder werd gedacht. Volgens de theorie genaamd gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek (MOND), de aantrekkingskracht tussen twee massa's gehoorzaamt slechts tot op zekere hoogte aan de wetten van Newton. Bij zeer kleine versnellingen zoals die in sterrenstelsels voorkomen, de zwaartekracht wordt aanzienlijk sterker. Daarom, sterrenstelsels scheuren niet uit elkaar vanwege hun rotatiesnelheid en de MOND-theorie kan afzien van donkere materie.

De nieuwe studie opent de mogelijkheid voor astronomen om deze twee hypothesen te testen in een ongekend regime.