Hubble vindt CDG-2, een 'spookstelsel' dat voor 99% uit donkere materie bestaat

NASA’s Hubble-ruimtetelescoop heeft een ongrijpbaar hemelobject geïdentificeerd dat bekendstaat als CDG-2, een melkwegstelsel met een lage oppervlaktehelderheid dat vrijwel onzichtbaar blijft voor traditionele observaties. Dit zeldzame "spookstelsel", dat zich op ongeveer 300 miljoen lichtjaar afstand in de Perseus-cluster bevindt, bestaat voor ongeveer 99% uit donkere materie, wat de bestaande modellen over hoe sterrenstelsels ontstaan en in stand blijven uitdaagt. In tegenstelling tot typische sterrenstelsels die helder schijnen met miljarden sterren, bevat CDG-2 slechts een schaarse verspreiding van zwakke sterpopulaties, waardoor het een van de meest door donkere materie gedomineerde objecten is die ooit door astronomen zijn vastgelegd.

Wat is CDG-2 en waarom is het bijna onzichtbaar?

CDG-2 (Candidate Dark Galaxy-2) is een ultradiffuus melkwegstelsel met een lage oppervlaktehelderheid dat bijna onzichtbaar is omdat het in verhouding tot zijn enorme omvang extreem weinig sterlicht uitzendt. Terwijl een typisch sterrenstelsel wordt gedefinieerd door zijn lichtgevende sterren, bestaat 99% van de massa in CDG-2 uit donkere materie, een onzichtbare substantie die geen licht uitzendt, absorbeert of reflecteert, waardoor het stelsel op deep-space-opnames verschijnt als een zwakke, spookachtige gloed.

De fysieke kenmerken van CDG-2 zijn opmerkelijk extreem vergeleken met de Melkweg of andere lichtgevende spiraalstelsels. Een voorlopige analyse door onderzoekers suggereert dat CDG-2 de totale lichtkracht heeft van ongeveer 6 miljoen zonachtige sterren, een minieme hoeveelheid voor een stelsel van deze gravitationele schaal. Veel van de "normale" baryonische materie — in het bijzonder het waterstofgas dat nodig is om nieuwe stervorming op gang te brengen — werd waarschijnlijk weggehaald door intense gravitationele interacties met andere massieve sterrenstelsels binnen de Perseus-cluster. Deze omgevingsgebonden "uithongering" liet het stelsel achter met een skeletachtige sterpopulatie, die bijna volledig wordt gedomineerd door de onzichtbare halo van donkere materie.

Wat zijn bolvormige sterrenhopen en hoe helpen ze bij het detecteren van donkere stelsels?

Bolvormige sterrenhopen zijn dichte, compacte groepen van oude sterren die gravitationeel aan elkaar gebonden zijn en dienen als betrouwbare "tracers" voor onzichtbare massa in het universum. Omdat deze clusters dicht opeengepakt zijn en bestand zijn tegen het uiteenvallen door getijdenkrachten, wijst hun aanwezigheid in een nauwe groepering op een massief, onzichtbaar gravitationeel anker — specifiek donkere materie — dat hen op hun plaats houdt ondanks het gebrek aan zichtbare sterren.

De methodologie die gebruikt is om CDG-2 te identificeren, vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak in de extragalactische astronomie. Onder leiding van David Li van de University of Toronto maakte het onderzoeksteam gebruik van geavanceerde statistische technieken om te zoeken naar nauwe groeperingen van deze clusters. Door gebruik te maken van hogeresolutiebeelden van de Hubble-ruimtetelescoop, het Euclid-observatorium van de European Space Agency (ESA) en de Subaru-telescoop op Hawaï, bevestigden astronomen een verzameling van vier bolvormige sterrenhopen in de Perseus-cluster. "Dit is het eerste sterrenstelsel dat uitsluitend is gedetecteerd via de populatie van bolvormige sterrenhopen," verklaarde Li, waarbij hij opmerkte dat deze clusters verantwoordelijk zijn voor ongeveer 16% van het zichtbare licht van het stelsel.

Zouden er meer donkere stelsels kunnen zijn die we nog niet hebben gevonden?

Astrofysici geloven dat er een enorme, onontdekte populatie van donkere stelsels verborgen zou kunnen zijn in het kosmische web, aangezien CDG-2 waarschijnlijk slechts het "topje van de ijsberg" is. Naarmate hemelsurveys uitbreiden, maken onderzoekers steeds vaker gebruik van machine learning en statistische modellering om deze verborgen systemen te identificeren die voorheen aan detectie ontsnapten door de beperkingen van de traditionele telescopische gevoeligheid.

De ontdekking van CDG-2 heeft belangrijke gevolgen voor ons begrip van de vorming van sterrenstelsels en de distributie van donkere materie. Volgens traditionele theorieën over stervorming zou een sterrenstelsel met zo'n lage dichtheid aan sterren moeite moeten hebben om zijn structurele integriteit te behouden. De overweldigende aanwezigheid van donkere materie zorgt echter voor de nodige gravitationele "lijm" om te voorkomen dat het stelsel wordt verscheurd door de enorme getijdenkrachten van de Perseus-cluster. Het bestaan van CDG-2 suggereert dat:

• Halo's van donkere materie kunnen bestaan met bijna geen bijbehorende stermassa.
• Clusters van sterrenstelsels duizenden "spookstelsels" kunnen herbergen die momenteel te zwak zijn om te zien.
• Standaardmodellen van de evolutie van sterrenstelsels mogelijk rekening moeten houden met meer diverse processen van omgevingsstripping.

De fundamenten van galactische evolutie uitdagen

De structurele overleving van CDG-2 in een omgeving met een hoge dichtheid zoals de Perseus-cluster suggereert dat onze huidige inventarisatie van het universum onvolledig is. Als CDG-2 representatief is voor een grotere klasse objecten, impliceert dit dat de "missing link" tussen halo's van donkere materie en zichtbare sterrenstelsels vaker voorkomt dan voorheen gedacht. Deze ontdekking, gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, biedt een nieuw laboratorium voor het testen van de aard van deeltjes van donkere materie, aangezien de dichtheid en distributie van de materie binnen CDG-2 aanwijzingen geven over hoe deze mysterieuze substantie zich over miljarden jaren gedraagt.

Toekomstige richtingen in deep-space onderzoek

Vooruitkijkend zal de zoektocht naar sterrenstelsels met een lage oppervlaktehelderheid een tijdperk van hoge precisie ingaan met de inzet van observatoria van de volgende generatie. Terwijl de Hubble-ruimtetelescoop gegevens met een hoge resolutie blijft leveren die nodig zijn om bolvormige sterrenhopen te identificeren, zullen toekomstige missies zoals NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope en het Vera C. Rubin Observatory breedveldsurveys uitvoeren die in staat zijn om duizenden kandidaten voor donkere stelsels te vinden. Deze missies zullen wetenschappers in staat stellen om de distributie van donkere materie met ongekende nauwkeurigheid in kaart te brengen, wat ons dichter bij het oplossen van een van de grootste mysteries in de moderne natuurkunde brengt.

De Hubble-ruimtetelescoop, een samenwerking tussen NASA en ESA, blijft in de voorhoede van dit onderzoek. Beheerd door het Goddard Space Flight Center van NASA met wetenschappelijke operaties onder leiding van het Space Telescope Science Institute (STScI), blijven de drie decennia aan dienstverlening van Hubble de grenzen van het waarneembare universum herdefiniëren. Door objecten als CDG-2 te identificeren, levert Hubble het empirische bewijs dat nodig is om de kloof te overbruggen tussen theoretische kosmologie en de zichtbare sterren die onze nachtelijke hemel bevolken.