Miljarden jaren geïsoleerd, een sterrenstelsel met meer donkere materie in de kern dan verwacht, is door astronomen geïdentificeerd met behulp van gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory.

Het sterrenstelsel, bekend als Markarian 1216 (afgekort als Mrk 1216), bevat sterren die binnen 10% van de leeftijd van het universum liggen - dat wil zeggen, bijna net zo oud als het universum zelf. Wetenschappers hebben ontdekt dat het een andere evolutie heeft doorgemaakt dan typische sterrenstelsels, zowel in termen van zijn sterren als de onzichtbare donkere materie die, door zwaartekracht, houdt de melkweg bij elkaar. Donkere materie is goed voor ongeveer 85% van de materie in het heelal, hoewel het alleen indirect is gedetecteerd.

Mrk 1216 behoort tot een familie van elliptisch gevormde sterrenstelsels die dichter opeengepakt zijn met sterren in hun centra dan de meeste andere sterrenstelsels. Astronomen denken dat ze afstammen van roodachtig, compacte sterrenstelsels genaamd "rode klompjes" die ongeveer een miljard jaar na de oerknal werden gevormd, maar stopte toen ongeveer 10 miljard jaar geleden in hun groei.

Als deze uitleg klopt, dan moeten de donkere materie in Markus 1216 en zijn galactische neven ook stevig op elkaar worden gepakt. Om dit idee voor de eerste keer te testen, een paar astronomen bestudeerden de röntgenhelderheid en temperatuur van heet gas op verschillende afstanden van het centrum van Mrk 1216, zodat ze konden "wegen" hoeveel donkere materie er in het midden van de melkweg bestaat.

"Toen we de Chandra-gegevens vergeleken met onze computermodellen, we ontdekten dat er een veel sterkere concentratie donkere materie nodig was dan in andere sterrenstelsels met een vergelijkbare totale massa, " zei David Buote van de Universiteit van Californië in Irvine. "Dit vertelt ons dat de geschiedenis van Mrk 1216 heel anders is dan de typische melkweg. In wezen zijn al zijn sterren en donkere materie lang geleden geassembleerd en is er in de afgelopen 10 miljard jaar weinig toegevoegd."

Volgens de nieuwe studie een halo, of vage bol, van donkere materie gevormd rond het centrum van Mrk 1216 ongeveer 3 of 4 miljard jaar na de oerknal. Deze halo zal zich naar verwachting hebben uitgebreid over een groter gebied dan de sterren in de melkweg. De vorming van zo'n roodklompstelsel was typerend voor een breed scala aan elliptische sterrenstelsels die we tegenwoordig zien. Echter, in tegenstelling tot Mr. 1216, de meeste gigantische elliptische sterrenstelsels bleven geleidelijk in omvang groeien toen kleinere sterrenstelsels in de loop van de kosmische tijd met hen samensmolten.

"De ouderdom en dichte concentratie van de sterren in compacte elliptische sterrenstelsels zoals Mrk 1216 die relatief dichtbij werden gezien, leverden het eerste belangrijke bewijs dat ze de afstammelingen zijn van de rode klompjes die op grote afstand worden gezien, " zei co-auteur Aaron Barth, ook van de Universiteit van Californië in Irvine. "We denken dat het compacte formaat van de halo van donkere materie die hier te zien is, de zaak beslist."

Eerder, astronomen schatten dat het superzware zwarte gat in Mrk 1216 massiever is dan verwacht voor een sterrenstelsel met zijn massa. Deze meest recente studie, echter, concludeerde dat het zwarte gat waarschijnlijk minder dan ongeveer 4 miljard keer de massa van de zon zal wegen. Dat klinkt als veel, maar het is misschien niet ongewoon massief voor een sterrenstelsel zo groot als Mrk 1216.

De auteurs zochten ook naar tekenen van uitbarstingen van het superzware zwarte gat in het centrum van de melkweg. Ze zagen hints van holtes in het hete gas vergelijkbaar met die waargenomen in andere massieve sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zoals Perseus, maar er zijn meer gegevens nodig om hun aanwezigheid te bevestigen.

De Mrk 1216-gegevens bieden ook nuttige informatie over donkere materie. Omdat donkere materie nooit direct is waargenomen, sommige wetenschappers vragen zich af of het überhaupt bestaat. In de studie, Buote en Barth interpreteerden de Chandra-gegevens met behulp van zowel standaard, "Newtoniaanse" zwaartekrachtmodellen en een alternatieve theorie die bekend staat als gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek, of "MOND", ontworpen om de behoefte aan donkere materie in typische sterrenstelsels weg te nemen. De resultaten toonden aan dat beide theorieën over zwaartekracht ongeveer dezelfde buitengewone hoeveelheid donkere materie nodig hadden in het centrum van Mrk 1216, waardoor de noodzaak voor de MOND-uitleg effectief wordt weggenomen.

"In de toekomst hopen we een stap verder te gaan en de aard van donkere materie te bestuderen, " zei Buote. "De dichte opeenhoping van donkere materie in het midden van Mrk 1216 kan een interessante test zijn voor niet-standaard theorieën die minder centraal geconcentreerde donkere materie voorspellen, zoals voor donkere materiedeeltjes die met elkaar interageren door een ander middel dan zwaartekracht."

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, verscheen op 1 juni, 2019 nummer van The Astrofysisch tijdschrift .