Missende en donkere materie eindelijk verklaard?

Al decennia breken astronomen zich het hoofd over een hardnekkig raadsel: hoe komt het dat het binnenste van melkwegstelsels veel langzamer draait dan verwacht? De hiervoor verantwoordelijk geachte donkere materie blijft spoorloos. Tot nu toe…

Het raadsel van de missende atomen

Ongeveer een miljard jaar na de Big Bang leken er veel meer atomen te zijn dan nu. Dat weten we door de straling die deze atomen uitzenden en die waargenomen kan worden door radiotelescopen zoals die in Westerbork. Nu ontbreekt deze straling goeddeels. Ongeveer de helft van alle materie van vlak na de Big Bang ‘ontbreekt’. Let wel: normale (baryonische) materie, het bekende spul met protonen, neutronen en elektronen dus. Daarbij komt nog het raadsel van de donkere materie. Nu duikt echter steeds meer en meer bewijs op dat deze missende atomen voor een deel wolken ultrakoud gas vormen (en als zodanig onzichtbaar voor radiotelescopen zijn).

Van de bekende materie bevindt zich negentig procent in sterren (en een fractie van een procent in planeten en overige hemellichamen). De overige tien procent vormt de galactische gasvoorraad, het interstellaire gas in de melkwegstelsels. Dit is overigens zeer dun, enkele honderden atomen per kubieke meter. Dunner dan het beste vacuüm dat we op aarde kunnen bereiken. Er is ook het intergalactische gas (het gas tussen melkwegstelsels) wat nog veel dunner is, slechts enkele atomen of minder per kubieke meter. Aldus het beeld dat astronomen tot nu toe hadden.

Koude waterstofwolken

Echter: waterstof kan een verdwijntruc uitvoeren. Als waterstofatomen recombineren tot waterstofmoleculen, worden ze veel moeilijker waar te nemen omdat ze vrijwel geen straling uitzenden bij temperaturen vlak bij het absolute nulpunt zijn. Deze koude moleculaire wolken waterstof zouden wel eens een groot deel van de missende materie kunnen verklaren. Koolmonoxide wordt echter onder vrijwel vergelijkbare omstandigheden, is wel zichtbaar en kan dus als spoor dienen om de koude waterstofwolken op te sporen. Tot vrij recent  was dit de enige manier om koude waterstof waar te nemen.

Merkwaardige gammabronnen

Het melkwegstelsel is bezaaid met onverklaarbare bronnen gammastraling, ontdekte NASA’s Compton Gamma Ray Observatory. Opmerkelijk was dat deze bronnen constant zijn en niet, zoals gammaflitsen, snel uitdoven. Pas toen deze kaarten werden samengevoegd met de kaarten van infraroodsatellieten (waarmee stofrijke gebieden opduiken) en CO-rijke gebieden, werd duidelijk dat deze met elkaar samenhingen. De theorie van het team is dat energierijke kosmische straling stofdeeltjes raakt en vervolgens gammastraling uitzenden.

Om dergelijke grote hoeveelheden stof en koolmonoxide te verklaren moeten er volgens de onderzoekers enorme voorraden koud moleculair waterstof op die plekken zijn. Ze veronderstellen ook dat er tussen het ‘warme’ interstellaire medium en de ‘koude’ gebieden met CO en stofdeeltjes nog een onzichtbare overgangszone ligt, waar de waterstof onzichtbaar wordt, maar zich nog onvoldoende CO gevormd heeft om zichtbaar te worden. De grootte van de wolken wordt op die manier meer dan verdubbeld. Voldoende om een aantal geliefde theorieën over stervorming en -evolutie grondig in de war te schoppen.

Verklaring donkere materie?

Volgens één astronoom, de Zwitser Daniël Pfenniger, zijn ultrakoude wolken de verklaring voor de geheimzinnige donkere materie. De verdeling van de wolken over de Melkweg komt volgens hem namelijk precies overeen met wat we zouden verwachten van de zwaartekrachtseffecten die we waarnemen van donkere materie. Wel is de hoeveelheid die tot nu toe is ontdekt nog veel te klein om zelfs maar de ontbrekende Big Bang materie te verklaren, laat staan donkere materie. Het kan echter heel goed zo zijn dat we nog maar het topje van de ijsberg aan moleculair waterstof hebben ontdekt. De nieuwe samengestelde radiotelescoop ALMA in de Chileense Andes gaat zich hiermee bezig houden. Rond 2012 moeten we het antwoord op de vraag hebben of zich hier inderdaad de verborgen materie schuilhoudt.

Misschien is het intergalactische medium niet leeg, zoals tot nu toe gedacht. Er wordt door astronomen ook steeds meer gedacht dat melkwegstelsels als het ware accretieschijven zijn van de enorme zwarte gaten in hun centrum, die zich voortdurend voeden met het gas uit het intergalactische medium, WHIM. Als dat inderdaad zo is, is er overvloedig veel sterrenbrandstof aanwezig en zou ons melkwegstelsel wel eens veel langer in leven kunnen blijven dan tot nu toe gedacht…

Bronnen
New Scientist